F
ACULDADE DEE
NGENHARIA DAU
NIVERSIDADE DOP
ORTOSistema autónomo de monitorização da
qualidade de águas fluviais baseado em
tecnologia Sigfox
Nelson Rafael Portela Maciel
Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Professor Doutor Paulo José Lopes Machado Portugal
Resumo
Este documento resulta do projeto de dissertação do autor e procura consolidar o estudo re-alizado no desenvolvimento de um sistema autónomo de monitorização da qualidade de águas fluviais.
O sistema visa ser implementado ao longo das margens dos recursos hídricos com o objetivo de detetar com precisão e de forma automática focos de poluição da água.
O módulo de monitorização foi baseado no microncontrolador ESP32-WROOM-32D desen-volvido pela Espressif Systems. A aquisição de dados dos parâmetros físicos e químicos para identificação de situações de contaminação é realizada de forma periódica com recurso a um con-junto diversificado de sensores ambientais que pode ser configurado pelo utilizador de acordo com as caraterísticas da monitorização pretendida.
As comunicações entre o sistema e o servidor externo são realizadas através da rede Sigfox. Esta é uma rede 0G inserida no contexto das redes LPWAN com reduzido consumo de energia .
Para a garantir a auto-suficiência energética do sistema foi desenvolvido um módulo de energy harvestingpara recolha de energia a partir de um painel fotovoltaico, que engloba um controlador MPPT e um circuito para carregamento da bateria de alimentação do dispositivo.
De forma a compreender os desafios do problema que o sistema se propõe a solucionar, foi realizado um rigoroso estudo preliminar onde são abordados os conceitos inerentes à análise da qualidade da água, assim como apresentadas algumas soluções já existentes no mercado similares à proposta desenvolvida. A informação reunida neste estudo é parte do presente documento.
Abstract
This document results of the thesis project of its author and its objective is to consolidate the study conducted in the developing of an autonomous system to freshwater quality monitoring. The system’s objective is to be implemented along the borders of hydric resources with the purpose of detecting sources of pollution in the water automatically and with accuracy. The monitoring module was based on the ESP32-WROOM-32D microcontroller, developed by Espressif Systems. The acquisition of data for both physical and chemical parameters for the identification of contamination situations is done periodically by using a diversified set of environmental sensors, which can be configured by the user according to the characteristics of the intended analysis. Communications between the system and the external server are performed through the Sigfox network. This is an 0G network with a reduced power consumption inserted in the context of the LPWAN networks.
To ensure the system’s power self-sufficiency, an energy harvesting module was developed to collect energy from a photovoltaic panel which englobes an MPPT controller and a circuit for recharging the device battery.
In order to understand the challenges of the problem this system proposes to solve, a rigorous preliminary study was directed by approaching the inherent concepts to water quality analysis, as well as some already existent and market available solutions are presented, which are similar to the developed project. The information gathered in this study is also part of this document.
Agradecimentos
Ao longo da realização desta dissertação pude contar com o apoio de diversas pessoas, às quais pretendo agora deixar registado os meus sinceros agradecimentos.
Em primeiro lugar, quero agradecer ao meu orientador, o Professor Doutor Paulo Portugal, pelo acompanhamento prestado e conhecimento partilhado que se verificaram essenciais para o sucesso deste projeto.
Quero agradecer também aos amigos que me desafiam e motivam no dia-a-dia.
Por último, mas não menos importante, estou profundamente grato ao meu Pai, à minha Mãe e aos meus irmãos pelo apoio incondicional ao longo de todo o meu percurso.
Rafael Maciel
“Our virtues and our failings are inseparable, like force and matter. When they separate, man is no more.”
Nikola Tesla
Conteúdo
1 Introdução 1 1.1 Enquadramento . . . 1 1.2 Motivação . . . 2 1.3 Objetivos . . . 3 1.4 Estrutura da Dissertação . . . 3 2 Estado da Arte 5 2.1 Análise da Qualidade da Água . . . 52.1.1 Temperatura . . . 6
2.1.2 pH . . . 7
2.1.3 Oxigénio Dissolvido (DO) . . . 8
2.1.4 Condutividade . . . 8
2.2 Sistemas Automáticos de Monitorização . . . 9
2.2.1 NexSens Tecnology . . . 9 2.2.2 Libelium . . . 12 2.3 Sensores . . . 14 2.3.1 Temperatura . . . 14 2.3.2 pH . . . 15 2.3.3 Oxigénio Dissolvido . . . 18 2.3.4 Condutividade . . . 19
2.3.5 Sondas de multi parâmetros . . . 20
2.4 Fonte de Alimentação e Tecnologias de Energy Harvesting . . . 21
2.4.1 Fontes de energia . . . 21 2.4.2 Armazenamento Energético . . . 23 2.5 Comunicação . . . 24 2.5.1 Sigfox . . . 25 3 Solução Proposta 29 3.1 Análise de requisitos . . . 29 3.2 Arquitetura do sistema . . . 31
3.2.1 Interface com sensores . . . 32
3.2.2 Comunicação . . . 33 3.2.3 Fonte de alimentação . . . 35 3.2.4 Arquitetura de software . . . 36 4 Implementação 39 4.1 Hardware do sistema . . . 39 4.2 Ficheiros de configuração . . . 41 ix
x CONTEÚDO
4.2.1 Configuração do módulo . . . 41
4.2.2 Configuração dos sensores . . . 42
4.2.3 Configuração dos alarmes . . . 43
4.3 Escalonador de tarefas de tempo real . . . 44
4.4 Ficheiros de registo de dados . . . 45
4.5 Módulo Sigfox . . . 46
4.6 Interface com utilizador . . . 47
4.7 Modo de poupança de energia . . . 48
4.8 Fonte de alimentação . . . 49
5 Resultados 53 5.1 Teste da deteção de ocorrência de alarmes . . . 53
5.1.1 Procedimento . . . 53
5.1.2 Resultados . . . 53
5.2 Teste da interface com o utilizador . . . 55
5.2.1 Procedimento . . . 55
5.2.2 Resultados . . . 55
5.3 Teste de cobertura Sigfox . . . 56
5.3.1 Procedimento . . . 56
5.3.2 Resultados . . . 56
5.4 Teste de consumo de energia do sistema . . . 57
5.4.1 Método . . . 57
5.4.2 Interpretação de resultados . . . 58
6 Conclusão 61 6.1 Trabalho Futuro . . . 61
A Diagramas 63 A.1 Diagrama de classes UML da solução de software . . . 63
B Material 65 B.1 Lista material e tabela de preços . . . 65
Lista de Figuras
2.1 Arquitetura típica de um sistema de monitorização . . . 5
2.2 Interação entre os diferentes parâmetros indicadores da qualidade da água [1] . . 6
2.3 Gamas de pH suportadas por diferentes espécies [2] . . . 7
2.4 NexSens CB-450. Três painéis fotovoltaicos de 10W 12VDC . . . 9
2.5 Módulos de recolha de dados da NexSens X2-Series . . . 10
2.6 Módulo de recolha de dados NexSens iSIC V2 . . . 11
2.7 Produtos da Libelium: o circuito controlador (a) presente no interior do sistema Waspmote Plug & Sense (b) . . . 13
2.8 Estrutura de um sensor de pH com membrana de vidro . . . 16
2.9 Exemplos de elétrodos de pH . . . 17
2.10 Diagrama de diferentes tipos de sensores para medição de oxigénio dissolvido . . 18
2.11 YSI EXO2 Multiparameter Sonde [3] . . . 20
2.12 Curvas de caraterística I-V (a vermelho) e de potência (a azul) de um painel foto-voltaico [4] . . . 22
2.13 Estruturas de turbinas hidroelétricas de eixos: (a) horizontal e (b) vertical [5] . . 23
2.14 Cobertura da rede Sigfox. Azul áreas com serviço ativo e violeta áreas em imple-mentação . . . 25
2.15 Arquitetura da rede Sigfox [6] . . . 26
2.16 Pilha protocolar da rede Sigfox [6] . . . 26
2.17 Trama de comunicação uplink e downlink da rede Sigfox [7] . . . 27
3.1 Diagrama da arquitetura do sistema . . . 32
3.2 ADS1115 diagram de blocos de funções [8] . . . 33
3.3 Módulo Sigfox SFM10R1 . . . 34
3.4 Máquina de estados do módulo Sigfox . . . 34
3.5 Arquitetura da fonte de alimentação . . . 35
3.6 Arquitetura de software . . . 37
4.1 Arquitetura de hardware do sistema . . . 40
4.2 Padrão da messagem de alarme do módulo de monitorização . . . 46
4.3 Curvas caraterísticas de um painel solar fotovoltaico [9] . . . 49
4.4 2A Solar Panel Power Manager With 7.2V LiFePO 4 Battery and 17V Peak Power Tracking [10] . . . 50
4.5 Circuito conversor DC-DC Step Down . . . 50
5.1 Mensagem recebida no servido Sigfox referente ao teste dos alarmes . . . 55
5.2 Terminal da aplicação móvil Serial Bluetooth Terminal . . . 55
5.3 SNR das menssagens de teste da rede Sigfox . . . 56
5.4 RSSI das menssagens de teste da rede Sigfox . . . 57
xii LISTA DE FIGURAS
Lista de Tabelas
2.1 Especificações NexSens X2 [11] . . . 11
2.2 Especificações NexSens iSIC V2 [12] . . . 12
2.3 Especificações Waspmote [13] . . . 13
2.4 Especificações de diferentes sensores de temperatura . . . 15
2.5 Especificações de diferentes sensores de oxigénio dissolvido . . . 19
2.6 Especificações de diferentes sensores de condutividade da água . . . 20
2.7 Características de diferentes tipos de baterias [14] [15] . . . 23
2.8 Características de diferentes tipos de supercondensadores [14] [15] . . . 24
3.1 Lista de requisitos do sistema . . . 31
3.2 Consumos de corrente dos principais componente de hardware do sistema [16] [17] [8] 35 4.1 Consumo de energia do sistema - Estimativa . . . 51
5.1 Consumos de corrente reais . . . 58
5.2 Consumo de energia do sistema - Aproximação real . . . 59
B.1 Lista de material utilizado . . . 65
Abreviaturas e Símbolos
CPU Central Processing Unit DO Dissolved Oxygen
GPIO General Purpose Input/Output GPS Global Positioning System ISE Ion Selective Electrode
ISFET Ion-Sensitive Field-Effect Transistor LPWAN Low-Power Wide-Area Network MPPT Maximum Power Point Tracking NTC Negative Temperature Coefficient ORP Oxidation Reduction Portencial OPTDO OPTical Dissolved Oxygen RTD Resistenc Temperature Detector SI Sistema Internacional
UML Unified Modeling Language YSI Yellow Springs Instrument
Capítulo 1
Introdução
1.1
Enquadramento
Desde os primórdios da história que as atividades inerentes à evolução do ser humano mol-daram, inevitavelmente, o desenvolvimento e o ciclo de vida do planeta Terra. Embora a proble-mática da poluição seja um tema relativamente recente, a sua origem remonta há muitos séculos atrás. Com o aparecimento das primeiras civilizações e com o crescimento do número de indi-víduos que partilhavam o mesmo espaço, a gestão dos resíduos sempre se revelou uma questão importante e complexa, dado que as consequências no quotidiano das pessoas não eram, até ao momento, conhecidas. Apesar da poluição ambiental poder ser proveniente de efeitos naturais, como a atividade vulcânica e os fogos florestais, esta está normalmente associada como resultado da intervenção antropológica no meio ambiente.
No início do século XIX, a revolução industrial representou um marco de progresso da huma-nidade com uma relevância indiscutível. Contudo, esta deu origem também, a uma contaminação sem precedentes dos recursos hídricos do planeta provocada principalmente pela libertação de po-luentes químicos, provenientes da produção industrial, diretamente nos rios e lagos. Desde então, a poluição da água tornou-se um problema que afeta toda a população mundial e a mesma terá de assumir a responsabilidade da sua resolução. Com a tomada de consciência social e política, por parte dos cidadãos e dos diferentes estados, temos assistido no último século a uma mudança de paradigma e de perceção da necessidade de uma atuação urgente e eficaz de forma a conseguir travar o impacto que estas alterações terão nas próximas gerações e no futuro do nosso planeta.
Tendo em conta o conhecimento científico e o desenvolvimento tecnológico alcançado até ao momento, os resultados, embora apresentem uma evolução crescente significativa nos últimos anos, estão ainda longe dos objetivos que o problema exige. Segundo um relatório das Nações Unidas de 2017 [18], estima-se que, mundialmente, 80% das águas residuais são despejadas no meio ambiente sem qualquer tipo de tratamento. Devido à falta de infraestruturas, capacidades técnicas e financeiras, a maior parte destas descargas é proveniente de países subdesenvolvidos ou em vias de desenvolvimento. Nos países com um elevado desenvolvimento económico e social observa-se uma motivação particular para a implementação e inovação em técnicas de tratamento
2 Introdução
deste tipo de resíduos seja pela necessidade de preservar a qualidade do ambiente, para garantir a subsistência de atividades relacionadas ou para salvaguardar o bem-estar das populações. A despoluição de rios é uma prática que tem sido realizada em várias grandes cidades do mundo inteiro, para as quais os rios representam um valor socioeconómico considerável. A combinação de diferentes tecnologias, técnicas e processos químicos, bem como o recurso a microrganismos e plantas que permitam neutralizar os agentes poluentes, contribuem para o sucesso destas ações. No entanto, estas poderão ter resultados limitados caso os focos de impurezas não forem erradicados por completo.
1.2
Motivação
A introdução de substâncias externas no meio ambiente pode apresentar consequências catas-tróficas para os ecossistemas, podendo provocar a sua alteração de forma irreversível ou mesmo a sua destruição. Sejam estas substâncias produtos sintetizados ou com origem natural, a sua pre-sença nos cursos de água em concentrações excessivas, quando comparadas com os níveis que são considerados aceitáveis em determinada área, representam um problema de poluição. Esta contaminação é, por vezes, efetuada de forma gradual permitindo a sucessiva alteração dos ecos-sistemas, resultado da adaptação dos mesmos à variação do ambiente do qual fazem parte, o que se traduz numa dificuldade de deteção atempada.
Como forte consumidor de elevadas quantidades de água nas suas atividades e um dos princi-pais agentes causadores de desperdício deste tipo de recurso, a indústria assume um compromisso extraordinário neste contexto. Assumindo que os resíduos, após o tratamento adequado, serão posteriormente devolvidos à sua origem, os padrões em que as descargas se efetuam e as sanções a aplicar em caso de infração estão sujeitas a uma legislação rigorosa. No entanto, a complexidade de identificar a origem da contaminação e a falta de uma fiscalização intensiva, aliadas ao elevado esforço financeiro que as empresas precisam de disponibilizar para a implementação e manutenção de estações de tratamento de águas residuais, levam por vezes as organizações a considerar que é economicamente mais viável o pagamento de coimas por incumprimento do que o investimento de forma a atingir os parâmetros da regulamentação.
É com esta problemática como base que surge o conceito deste trabalho. Com o objetivo de detetar alterações de parâmetros indicadores da qualidade da água de forma prematura e, cujo os mesmos, poderão revelar um comportamento anormal e intrusivo nos recursos hídricos, este trabalho concentra-se no desenvolvimento e implementação de um sistema autónomo de recolha de dados, posterior análise e consequente alerta, em caso de irregularidade. Com o auxílio deste equipamento, será possível efetuar uma monitorização constante e automatizada da rede de recur-sos hídricos de uma determinada região, permitindo uma atuação rápida em caso de necessidade. Isto contribuí para o aumento da eficácia de uma operação com vista a reverter uma situação de contaminação e, deste modo, representa uma diminuição significativa dos custos implicados com a mesma. De forma complementar, a utilização de uma rede de mecanismos de supervisão a operar em simultâneo, favorece a identificação da origem das perturbações possibilitando fundamentar a
1.3 Objetivos 3
atribuição de responsabilidade aos seus autores, contribuindo para a sustentabilidade económica das atividades e instituições encarregues da preservação dos recursos hídricos.
1.3
Objetivos
Este trabalho visa o desenvolvimento de um sistema autónomo de monitorização da qualidade da água com caraterísticas que concedam a este um carácter inovador em relação às soluções já existentes.
A premissa deste trabalho é desenvolver um equipamento que deverá ser implementado nas margens dos recursos hídricos. Este deve realizar a leitura periódica, contínua e automática dos diferentes parâmetros a monitorizar, analisar os dados, detetar possíveis anomalias nos valores recolhidos e comunicar a ocorrência dessas a um servidor externo. Paralelamente, o sistema deve manter um registo em memória de todas as leituras realizadas para que essas possam ser descarre-gadas pelo utilizador posteriormente e no local de implementação.
• Monitorização — Pretende-se que o sistema seja capaz de realizar uma monitorização constante de diferentes parâmetros indicadores da qualidade da água. Este destina-se à utilização em recursos hídricos de água doce, em particular lagos, rios e seus afluentes. • Autonomia — O sistema deve apresentar um consumo energético reduzido paralelamente a
uma solução de Energy Harvesting para recolha de energia do meio envolvente, garantindo assim uma elevada autonomia energética.
• Comunicação — Este sistema deve permitir a troca de mensagens com um servidor possi-bilitando a interação com aplicações de supervisão externas.
• Flexivilidade — Focada na monitorização dos recursos hídricos, a solução deve poder ser adaptada de acordo com os critérios de análise da qualidade adequados a cada situação. • Custo — Pretende-se desenvolver um sistema economicamente viável, permitindo o
desta-que deste em relação às soluções disponibilizadas por empresas já estabelecidas no mercado.
1.4
Estrutura da Dissertação
Este documento está organizado em seis capítulos, contabilizando a presente introdução. O capítulo2, Estado da Arte, é dedicado ao estudo dos temas envolvidos no contexto deste trabalho e à análise de soluções semelhantes já existentes no mercado.
Segue-se a apresentação da solução proposta, no capítulo3. Aqui é feita uma exposição dos requisitos deste trabalho e uma descrição da arquitetura do sistema.
Na Implementação, presente no capítulo4, é explicado com detalhe como a solução final foi concebida.
4 Introdução
Por último, no capítulo6, a título de conclusão, é discutida a aplicação prática da solução alcançada, bem como, o trabalho que deverá ser desenvolvido futuramente.
Capítulo 2
Estado da Arte
Neste capítulo são apresentadas e analisadas as diversas soluções tecnológicas já existentes no mercado que permitem, em parte ou no todo, responder às particularidades exigidas por um sistema de monitorização da qualidade da água.
Previamente, com o intuito de entender os desafios envolvidos, são apresentadas as diferentes técnicas e métodos utilizados na análise da qualidade da água.
Ao mais elevado nível de abstração da arquitetura, como apresentado na figura2.1, podemos dividir o sistema em quatro grandes pilares: o conjunto dos sensores que disponibilizam em tempo real os dados referentes aos parâmetros de qualidade da água; a plataforma central responsável por todas as tarefas de recolha, tratamento, análise e gestão da informação envolvida; a fonte de alimentação para o fornecimento contínuo de energia; e a plataforma de comunicação que concede ao modelo a possibilidade de troca de mensagens com um servidor externo para interface com o utilizador.
Figura 2.1: Arquitetura típica de um sistema de monitorização
2.1
Análise da Qualidade da Água
Nesta secção é realizado um estudo dos indicadores, físicos e químicos, que devem ser monito-rizados para uma análise adequada da qualidade da água. Esta avaliação é realizada de acordo com
6 Estado da Arte
o propósito em causa, isto é, dependendo se a água se destina, por exemplo, ao consumo humano ou ao uso industrial, as referências de concentração de certas substâncias e a gama de valores dos diferentes parâmetros são adaptadas consoante a situação. Também a localização geográfica do ambiente a monitorizar afeta diretamente os ensaios.
De forma a detetar casos de contaminação, a deteção de irregularidades é efetuada sempre por comparação dos dados recolhidos com os padrões considerados aceitáveis em determinada área, o que pressupõe o conhecimento destes à partida.
Uma vez que este sistema se destina à monitorização da poluição da água nos recursos hídri-cos, os parâmetros que serão medidos pretendem verificar as condições necessárias para manter o equilíbrio dos ecossistemas presentes. A informação seguinte pretende descrever como cada parâmetro específico permite assegurar essa estabilidade e como os mesmos são afetados. São inúmeros os parâmetros que podem ser utilizados nesta análise, contudo este estudo foca-se nos quatro mais importantes:
• Temperatura • pH
• Oxigénio Dissolvido • Condutividade
2.1.1 Temperatura
A temperatura é uma das propriedades fundamentais da água, com respeito à análise da sua qualidade, pois esta afeta a maioria dos outros parâmetros. A relação entre os vários parâmetros da água e a temperatura pode ser observada na figura2.2.
Figura 2.2: Interação entre os diferentes parâmetros indicadores da qualidade da água [1] A oscilação da temperatura têm origem em diversos fatores, nomeadamente, as condições cli-matéricas, as mudanças de estação do ano, as infiltrações dos lençóis freáticos ou a profundidade
2.1 Análise da Qualidade da Água 7
e largura das massas de água. Existem também outras causas, derivadas do impacto das ativi-dades do ser humano, como as descargas de águas residuais provenientes de zonas industriais e urbanas, o crescimento de centros populacionais alterando o curso de escoamento das águas plu-viais, a construção de barragens ou a desflorestação junto das margens alterando de forma brusca a incidência direta de raios solares.
Estas variações perturbam a biodiversidade das espécies e dos organismos presentes no ambi-ente aquático propiciando uma alteração dos comportamentos dos ecossistemas. A principal razão desta ocorrência esta relacionada com outro fator, o volume de oxigénio dissolvido, influenciado, mutuamente, pela fotossíntese das plantas aquáticas e as taxas de metabolismo dos organismos.
Para garantir a precisão na medida dos outros parâmetros, que dependem diretamente da tem-peratura da água, é estritamente necessária a sua monitorização.
2.1.2 pH
A medida do pH permite determinar se uma solução aquosa é ácida ou alcalina com base na medida da concentração de iões de hidrogénio. Como pode ser observado na figura2.3, as águas fluviais apresentam, geralmente, um pH neutro com valores compreendidos entre 6.0 e 8.0. Pequenas variações fora desta gama poderão afetar os processos biológicos e, caso estas sejam extremas, poderão por em causa a sobrevivência dos ecossistemas.
Os diferentes tipos de minerais do solo em contacto com a água têm impacto no pH da mesma, por exemplo, cursos de água provenientes da drenagem de florestas ou pântanos, devido ao con-tacto com a matéria orgânica presente nestes ambientes, apresentam um baixo pH, podendo pro-vocar a dissolução de alguns minerais e podendo libertar metais pesados e substâncias químicas.
8 Estado da Arte
O termo pH expressa o potencial de hidrogénio, um acrónimo com origem do latim potentia hydrogenii, e está caraterizado numa escala logarítmica entre 0 e 14 sendo esta representativa da concentração de iões de hidrogénio (em mol/L) numa determinada solução.
pH= − log [H+] (mol/L) (2.1)
Quanto mais ácida uma solução, maior a facilidade de libertar um protão H+ refletindo-se numa maior concentração de catiões de hidrogénio e, assim, menor o seu valor de pH. Quanto mais alcalina uma solução, maior o seu valor de pH o que se traduz em uma maior concentração de OH−(ião hidróxido) e na facilidade em receber um ião H+. Sendo o pH expresso numa escala logarítmica, o aumento ou diminuição de uma unidade representa uma diferença na concentração de iões de hidrogénio (H+) de dez vezes menor ou maior, respetivamente.
2.1.3 Oxigénio Dissolvido (DO)
A quantidade de Oxigénio Dissolvido (DO, do inglês Dissolved Oxygen) é uma medida relativa que expressa a quantidade de oxigénio molecular dissolvido num volume de água.
A poluição, proveniente por exemplo de descargas de resíduos ricos em matéria orgânica, interfere na capacidade de dissolução da água influenciando as condições de sobrevivência no habitat de diversos seres vivos. As plantas, algas e microrganismos presentes nos cursos de água, através da fotossíntese, desempenham um papel crucial na regulação da saturação de oxigénio. Deste modo, a monitorização do oxigénio dissolvido, para além de contribuir na classificação da qualidade da água, poderá ser também um indicador de perturbações nos ecossistemas.
A quantidade de oxigénio dissolvido é normalmente expressa em miligramas por litro (mg/L) ou como percentagem da saturação do ar. Em alguns casos poderá também ser expressa em partes por milhão (ppm) ou micromoles (µmole), esta última bastante usada no contexto dos oceanos.
1 mg/L = 1 ppm 100 µmol = 2.2 mg/L
(2.2)
2.1.4 Condutividade
A condutividade é uma medida da capacidade de uma determinada solução conduzir uma corrente elétrica. Quando as partículas se dissolvem nos rios dividem-se em cargas positivas e negativas, iões, que alteram a condutividade da água. Esta característica permite detetar e concluir sobre as concentrações de certos contaminantes e pode, portanto, ser usada como um indicador da qualidade da água. Um aumento ou uma diminuição repentina na condutividade de um re-curso hídrico pode representar a existência de uma fonte de poluição, como descargas industriais, domésticas ou de atividades agrícolas.
2.2 Sistemas Automáticos de Monitorização 9
A condutividade é o inverso da resistividade e a unidade SI é o siemens (S). No entanto, esta é usualmente expressa em microsiemens, milisiemens ou, uma vez que este valor está diretamente relacionado com o Total de Sólidos Dissolvidos, em partes por milhão (ppm).
2.2
Sistemas Automáticos de Monitorização
As soluções comerciais existentes no mercado especializadas no controlo da qualidade da água são bastante diversificadas. Desde instrumentos portáteis a soluções industriais, a extensa gama de produtos permite preencher as diferentes necessidades de acordo com os objetivos e o ambiente de aplicação. Contudo, quando nos focamos em soluções com caraterísticas análogas ao trabalho em questão, nomeadamente a monitorização contínua, autónoma e em tempo real, a oferta é mais limitada. De seguida são apresentadas três soluções com caraterísticas distintas, cada uma adequada a diferentes ambientes de ação. Uma particularidade comum a todas elas, no entanto diferentes entre si, é o elevado preço das solução completas propostas.
2.2.1 NexSens Tecnology
A NexSens Tecnology, Inc. [19] é uma empresa norte americana que desenvolve sistemas de monitorização ambiental especializada em telemetria aquática. A empresa dispõe de um conjunto de equipamentos diversificados que permitem uma configuração de acordo com o ambiente de estudo. Dos segmentos de produtos disponíveis no catálogo, são de destacar dois principais que se enquadram no projeto em causa, as boias aquáticas e os módulos de recolha de dados.
O conjunto de boias NexSens CB-Series, fabricadas em espuma de polietileno reticulado com revestimento de poliureia e estrutura em aço inoxidável, permitem oferecer uma solução ideal para a plataforma física do sistema quando é necessária uma monitorização distanciada da margem. Para sistemas mais complexos, que exigem maior potência elétrica, as boias de maiores dimen-sões estão integradas com um conjunto de painéis fotovoltaicos que permitem o carregamento de baterias, tal como apresentado na figura2.4. Estas podem ser acomodadas num compartimento existente no interior, bem como, os módulos de recolha de dados e sensores. [20] [21]
10 Estado da Arte
Na análise aos módulos de recolha de dados o destaque da oferta desta empresa foca-se em dois principais produtos: NexSens X2-Series e NexSens iSIC V2.
(a) NexSens X2 [22] (b) NexSens X2-CB [23]
Figura 2.5: Módulos de recolha de dados da NexSens X2-Series
Na figura2.5podemos observar uma solução plug-and-play de monitorização de parâmetros da água. Ambas as soluções apresentam especificações ao nível do hardware muito semelhantes, no entanto o módulo da figura 2.5b foi especialmente desenhado para integração com as boias apresentadas anteriormente. A interface de comunicações é compatível com os principais proto-colos usados em sensores ambientais, nomeadamente SDI-12, RS-232 e RS-485. Disponibilizam também a possibilidade de comunicação por Wi-Fi, comunicação móvel, radio e satélite. Com componentes de gestão avançada de energia, com recurso a sleep mode e com a possibilidade de conectar um painel fotovoltaico é possível garantir a este módulo uma elevada autonomia energé-tica. Os modelos apresentam um custo entre $1250 e $2495 no caso do NexSens X2 e entre $2495 e $2995 para o NexSens X2-CB, dependendo da tecnologia de comunicação escolhida.
Na tabela2.1 são apresentadas as especificações mais relevantes presentes na datasheet do NexSens X2[11].
Power Requirements 5-24 VDC ±15% Typical Current Draw
(@12VDC)
Low power sleep: 200µA; Active: 20mA;
Wi-Fi transmitting: 43mA max; Cellular transmitting: 200mA;
Peak Current Power supply must be able to sustain a 500mA 1-second peak current (@ 12V);
Data Processing Parameter level polynomial equation adjustment; Basic and burst averaging (min, max, standard deviation, and raw data available);
Sensors Interface SDI-12, RS-232 (3 channels), RS-485;
2.2 Sistemas Automáticos de Monitorização 11
Built-in Sensors Temperature (-40 to 85◦C, 0.002◦C resolution, ±2◦C ac-curacy); Pressure (300 to 1100mbar, 0.016mbar resolution, ±2mbar accuracy); Humidity (0-100%, 0.04% resolution, ±5% accuracy); Battery voltage;
Sensor Ports (3) 8-Pin for sensor interface (RS-232, RS-485, SDI-12, 5V, 12V, GND)
Power Port (1) 6-Pin for power and communication (Primary / Secon-dary / Backup Input, RS-485 Host, GND)
Telemetry Options Cellular, Iridium Satellite, Radio, Radio to Cellular Tabela 2.1: Especificações NexSens X2 [11]
O iSIC V2, presente na figura2.6, cujo as principais especificações constam na tabela 2.2, é um produto que pretende corresponder a todas as necessidades relacionadas com a monitorização ambiental. Com suporte para 8 entradas analógicas e 4 digitais em simultâneo, a interface com sensores é a principal vantagem deste sistema, uma vez que permite a ligação de vários tipos de sensores ambientais. O preço deste equipamento situa-se entre os $1000 e os $2000.
Figura 2.6: Módulo de recolha de dados NexSens iSIC V2
Ports (1) UW8 for sensor connection;
(1) UW6 for RS-485 host connection and external power; (2) PG-11 passthrough port for custom wiring;
(2) 16 position pluggable terminal blocks for sensor, host, and power wiring;
(1) DB9 RS-232 host connection; (1) RJ45 100BASE-T Ethernet;
(8) 16-bit single-ended or (4) differential; ±1.25V or 0-2.5V selectable;
12 Estado da Arte
Analog Outputs (1) 16-bit DAC 0-2.5V;
(1) Optional second DAC output;
Digital I/O Ports (1) Tipping bucket input, max rate: 10 Hz
(2) Standard generic I/O ports 0-3.3V, 5V tolerance; Sensor Interface (1) RS-485 (half duplex); (1) SDI-12; (3) RS-232; Sensor Power (1) Switched 12VDC 1.2A;
(1) 2A Pass through full time power; (1) 5VDC 200mA;
Sensor Protocols Modbus RTU; NMEA 0183; SDI-12; GSI (via custom script)
Built-In Sensors Temperature (-40 to 85◦C, 0.01◦C resolution, ±2◦C ac-curacy from -20 to 85◦C); Pressure (300 to 1100mbar, 0.016mbar resolution, ±4mbar accuracy); Humidity (0-100%, 0.04% resolution, ±5% accuracy from 5 to 95% RH); Battery voltage; Current draw;
External Power 5-16 VDC ±5% (Overcurrent and Reverse polarity protec-tion);
Typical Current Draw (@12V)
Sleep: 760µA; Active: 43mA;
Analog Active: 85mA; Cellular transmitting: 300mA; Wireless Communication Verizon or AT&T Cellular Telemetry
Tabela 2.2: Especificações NexSens iSIC V2 [12]
A NexSens Tecnology, Inc. também disponibiliza servidores Web que permitem a interligação entre os diferentes dispositivos e sistemas de monitorização, contando ainda com um ambiente gráfico muito intuitivo para diferentes plataformas, o WQData LIVE [24].
2.2.2 Libelium
A Libelium [25] é uma empresa de referência que fornece uma extensa gama de produtos para aplicação no domínio da Internet of Things, contribuindo para a inclusão de sistemas inteligentes no nosso dia-a-dia. O Waspmote Plug & Sense2.7bsurge com o objetivo de oferecer uma solução inteligente, completa e versátil e que ao mesmo tempo seja de fácil implementação e pronta a usar, eliminando assim a preocupação do utilizador com as questões de eletrónica focando-se este no desenvolvimento de aplicações de redes de sensores sem fios.
Existem versões do sistema direcionados para as mais diversas áreas, como as cidades inteli-gentes, monitorização ambiental ou agricultura inteligente.
2.2 Sistemas Automáticos de Monitorização 13
(a) (b)
Figura 2.7: Produtos da Libelium: o circuito controlador (a) presente no interior do sistema Waspmote Plug & Sense (b)
A plataforma de desenvolvimento Waspmote, representada na figura2.7a, é desenvolvida com base no micro controlador ATmega1281 (ver especificações na tabela2.3). Esta encontra-se no interior de uma caixa de proteção IP65 com um conjunto de conetores que servem de interface para os diversos sensores disponíveis, antena e dispositivos de recolha de energia. O baixo consumo energético em conjunto com os módulos de energy harvesting viabilizam a operação deste sistema com elevada autonomia. Recorrendo ao modo de hibernação disponível é possível a operação deste sistema durante um ano sem necessidade de recarga [13].
Microcontrolador ATmega1281;
Entradas e Saídas 7 entradas analógicas, 8 entradas e saídas digitais, 2 UARTs, 1 I2C, 1 SPI, 1 USB;
Consumo On: 17mA;
Sleep: 30µA; Deep Sleep: 33µA; Hibernate: 7µA;
Comunicação XBee; WiFi; 4G; Sigfox; LoRaWAN; Caraterísticas Elétricas Bateria: 3.3-4.2V
Carregamento USB: 5V - 100mA; Painel Solar: 6-12V - 300mA; Tabela 2.3: Especificações Waspmote [13]
Atualmente, existem empresas que fornecem soluções de monitorização aquática implemen-tadas com base nestes dispositivos, como são o caso da Eagle.io [26], a DeviceLynk [27] e a Smart Data System[28]. Os preços destes sistemas centram-se entre os 5000e e os 10.000e para siste-mas mais complexos.
14 Estado da Arte
2.3
Sensores
Nesta secção, dedicada ao estudo dos sensores, é feita uma análise detalhada com o objetivo de especificar os princípios físicos e químicos que permitem a medição de certos parâmetros am-bientais, as diferentes tecnologias de interface entre os sensores e a unidade de recolha de dados e a apresentação de soluções práticas já existentes no mercado que permitam satisfazer as necessi-dades envolvidas neste âmbito.
2.3.1 Temperatura
Existem variadas tecnologias para medir temperatura com diferentes vantagens e desvantagens de acordo com a aplicação em questão. Na escolha do sensor adequado, as principais caracterís-ticas que devem ser tidas em conta são a precisão, a gama de medição, a estabilidade e o tempo de resposta. Assim, tendo em vista a determinação da temperatura de águas fluviais, existem dois tipos de sensores que se adequam a este contexto: o termístor NTC e o RTD (do inglês Resistence Temperature Detector). Em ambos os casos o princípio de funcionamento é semelhante, uma va-riação na temperatura provoca uma alteração na resistência elétrica do material de que o sensor é composto, um semicondutor no caso do termístor ou um filamento de um metal condutor de elevada pureza no caso do RTD.
A variação da resistência com a temperatura no termistor NTC é da ordem das dezenas de ohms por grau centígrado, muito superior às pequenas variações no caso do RDT. Esta caraterística reflete-se num tempo de resposta e sensibilidade muito superiores no caso do NTC. Ambos os sensores apresentam elevada precisão, entre 0.05 e 1.5◦C para o termistor NTC e entre 0.1 e 1◦C no caso do RTD. No entanto, a gama de medida do RTC é de -200 a 650◦C, muito superior à do termistor, que se situa entre -100 e os 325◦C. A elevada precisão numa extensa gama de medida justifica o elevado custo do sensor RTD quando comparado com o NTC.
O termistor NTC apresenta elevada resistência a baixas temperaturas. Devido à natureza ex-ponencial da variação da resistência com a temperatura, o sinal proveniente do sensor NTC exige linearização. O mesmo não acontece no RDT, uma vez que a sua caraterística é linear.
A relação entre a temperatura e a resistência do termistor é dada pela equação Steinhart-Hart2.3. 1 T = A + B ln (R) +C ln (R) 3 (2.3) T – Temperatura (K); R– Resistência do termistor (Ω);
A, B e C – Coeficientes dependentes do tipo e modelo do termistor;
Em geral, os coefientes da equação de Steinhart-Hart não são disponibilizados na datasheet dos sensores. Por essa razão, em sistemas de engenharia é comum o uso da função:
1 T = 1 T0+ 1 βln R R0 (2.4)
2.3 Sensores 15
T – Temperatura (K);
T0– Temperatura nominal (normalmente 25◦C);
β – Coeficiente presente na folha de caraterísticas do sensor; R– Resistência do termistor (Ω);
R0– Resistência do termistor à temperatura nominal;
Na tabela2.4são apresentadas as caraterísticas de vários tipos de sensores. Todos os sensores descritos estão disponíveis com nível de proteção IP68, um requisito para a aplicação em ambiente aquático.
Sensor Fabricante Interface Gama de medida Ref.
NTC Type JI/JIC Amphenol Advanced Sensors
Analógica −50◦C to +105◦C [29] DS18B20 Maxim Integrated Digital (1-wire) −55◦C to +125◦C [30] NTC TT-0 Series TEWA Analógica −50◦C to +105◦C [31]
Tabela 2.4: Especificações de diferentes sensores de temperatura
2.3.2 pH
A medição do pH da água é realizada com recurso a elétrodos através do princípio da diferença de potencial elétrico entre uma solução de referência e a solução cujo o valor de pH é objeto de estudo.
As pontas de prova mais comuns são os elétrodos seletivos de iões composto de uma mem-brana de vidro sensível aos iões de hidrogénio. A diferença de cargas elétricas entre as duas amostras produz, à saída do sensor, uma tensão porporcional ao valor de pH. Este pode ser cal-culado com base na equação de Nernst2.5que estabelece uma relação entre a tensão medida e a atividade iónica da solução.
E= E0+ RT F ln aH+ = E0+ 2.303RT F log aH+ = E0− 2.303RT F pH (2.5)
E– Tensão medida entre a membrana e o elétrodo de referência; E0– Potencial padrão do elétrodo de referência;
R– Constante universal dos gases ideais (R = 8.314 Jmol−1K−1); T – Temperatura em graus Kelvin;
F– Constante Faraday (F = 96485 Cmol−1); aH+ – Atividade de iões de hidrogénio;
16 Estado da Arte
A atividade iónica é uma função linear da concentração de iões de hidrogénio (H+), no entanto com o aumento da diluição da solução o coeficiente entre os dois valores aproxima-se de 1. Assim, para soluções de elevada diluição, como temos no caso concreto do âmbito de estudo deste projeto, podemos considerar que estes dois valores são iguais.
Uma vez que a equação de Nernst é dependente da temperatura da solução, a medição desta com elevada precisão é um requisito imprescindível para exatidão da medida do valor de pH e algumas soluções comerciais existentes já disponibilizam um sensor de temperatura integrado na ponta de prova.
Na figura2.8podemos observar a estrutura física de um sensor de pH com os seus diferentes componentes, tais como, o elétrodo de referência e a membrana em contacto com a solução. Esta última pode apresentar diferentes formatos de acordo com o propósito a que se destina.
Figura 2.8: Estrutura de um sensor de pH com membrana de vidro
No caso das industrias onde não é viável o uso de sensores de vidro são utilizados sensores de pH com recurso a ISFETs (ou transístores de efeito de campo sensíveis a iões). Neste caso, uma camada sensível aos iões de hidrogénio atua como a porta do transístor, formando assim, uma corrente entre a fonte e o dreno proporcional à concentração de iões na solução.
Os elétrodos para medição de pH são componentes ativos, isto é, funcionam como uma fonte de tensão, as diferenças de tensão observadas são da ordem dos milivolts. Uma caraterística intrin-seca dos sensores de pH é a elevada impedância de saída, isto implica a utilização de um circuito de elevada impedância que atua como interface entre a ponta de prova e o conversor analógico-digital que permitirá a leitura do valor de pH por um controlador. No caso dos sensores digitais, este circuito de condicionamento já se encontra incorporado na ponta de prova.
2.3 Sensores 17
(a) YSI TruLine pH 15 [32]
(b) Atlas Scientific Industrial pH Probe [33]
(c) AQUALABO pH digital
sen-sor [34] (d) DFRobot pH Probe [35]
Figura 2.9: Exemplos de elétrodos de pH
Na figura 2.9são apresentados exemplos de elétrodos de pH disponíveis no mercado. Estes diferenciam-se em vários aspectos, nomeadamente em preço, precisão e interface.
Algumas empresas desenvolvem sensores de forma a serem usados especificamente por deter-minadas plataformas, também elas desenvolvidas pelas próprias empresas, é o caso apresentado em2.9a. Este é um sensor digital com compensação de temperatura integrado que permite a lei-tura de pH em todo o espetro e pode ser utilizado em soluções com temperalei-turas compreendidas entre −5◦C e 100◦C. O preço deste elétrodo situa-se na ordem dos 180e.
Na escala de preços do produto anterior, temos a ponta de prova desenvolvida pela Atlas Sci-entific2.9b. Este é um sensor de pH analógico de membrana de vidro com um termistor de coe-ficiente positivo de temperatura PT-1000 integrado. Apresenta uma resolução de 0.001 e precisão de ±0.002 em toda a escala, com tempo de resposta de 1 segundo. Uma vez que se trata de um sensor analógico, é necessária a utilização de um circuito de interface com o controlador a utili-zar. Na loja online da empresa são disponibilizados diversos produtos para a simples aplicação deste sensor, de realçar o circuito de condicionamento de sinal desenhado especificamente para este sensor e circuito de isolamento para eliminação de ruído, entre outros.
Na figura2.9ctemos um produto industrial de gama superior, o que se reflecte também no seu preço, aproximadamente 800e. Este é um sensor digital que possibilita a utilização dos
protoco-18 Estado da Arte
los de comunicação industriais mais comuns, Modbus RS-485 e SDI-12, podendo ser integrado facilmente na maioria dos sistemas industriais atuais. A outra grande vantagem da utilização deste tipo de sensor é a de adquirir, paralelamente ao valor de pH, valores de temperatura e de ORP (do inglês oxidation reduction potencial). Este último expressa a facilidade de uma determinada solu-ção receber ou perder eletrões. O tempo de resposta é inferior a 5 segundos com uma resolusolu-ção de 0.01 e precisão de ±0.1 entre valores de 0 a 14. O consumo energético é da ordem dos 10mA, havendo a possibilidade de redução deste para 25µA em standby.
Por último, temos um exemplo de uma solução no mercado de produtos de baixa gama. O elétrodo presente em 2.9d têm um custo de aproximadamente 30e. Tem como desvantagem o
elevado tempo de estabilização, cerca de 60 segundos, e como se trata de um dispositivo analó-gico, requer um circuito de condicionamento de sinal perfeitamente dimensionado para a correta aquisição dos dados. A precisão e resolução estão dependentes das especificações do circuito de conversão utilizado.
2.3.3 Oxigénio Dissolvido
De forma a poder retirar conclusões sobre qualidade da água dos rios é necessário conhecer a quantidade de oxigénio molecular (O2) que se encontra dissolvido na mesma. As principais tecnologias utilizadas neste contexto são os sensores eletroquímicos e os sensores óticos.
Os sensores baseados em propriedades eletroquímicas consistem em dois elétrodos, um ânodo e cátodo, imersos num eletrólito. Ambos encontram-se separados por uma membrana permeável ao oxigénio da água ou da solução aquosa. O oxigénio presente na amostra a ser medida atravessa a membrana e, em contacto com o cátodo de prata, ocorre a redução do oxigénio molecular pro-duzindo uma corrente elétrica entre o cátodo e o ânodo. A intensidade dessa corrente é depois traduzida no valor da concentração de moléculas de oxigénio na água. O esquema de funciona-mento pode ser visualizado na figura2.10a.
Estes sensores podem utilizar dois tipos de elétrodos: elétrodo galvânico e elétrodo polarográ-fico, cuja a principal diferença entre os dois é a necessidade de aplicação de uma tensão externa no caso do elétrodo polarográfico enquanto o mesmo não é necessário no caso do elétrodo galvânico.
(a) Sensor eletroquímico (b) Sensor ótico
2.3 Sensores 19
Os sensores de oxigénio dissolvido óticos, figura 2.10b, são compostos por uma película de uma substância luminescente, esta é revestida por uma membrana permeável ao oxigénio permi-tindo que o mesmo interaja com o material. O sensor faz incidir um feixe de luz, com determinado comprimento de onda, sobre o material e mede através de um foto díodo a luminescência produzida por essa excitação. A interação do oxigénio com a película sensível altera as suas propriedades luminescentes. O sensor emite também um feixe de luz de referência de forma a garantir a estabi-lidade e precisão das medidas. As medidas e os valores de referência são comparados permitindo estimar a quantidade de oxigénio molecular dissolvido na água.
As especificações de diferentes tipos de sensores de oxigénio dissolvido existentes no mercado encontram-se sintetizadas na tabela2.5.
Aqualabo OPTDO [36] Sensorex LUMIN-S Optical DO [37] Sensorex Galvanic DO6400TC [38] Atlas Scientific DO Probe [39] Fabricante PONSEL SENSOREX SENSOREX Atlas Scientific
Range 0.00 - 20.00 mg/L 0.00 - 20.00 ppm 0 - 200% 0.00 - 20.00 mg/L 0.00 - 20.00 ppm 0 - 200% 0.5 - 20.00 ppm 0 - 100 mg/L Interface Modbus RS-485 SDI-12 Modbus RS-485 Modbus RS-485 4-20 mA Analógico (0-40mV) Preço £710 $1,266 – $1,436 $541 - $723 $218
Tipo Luminescência Luminescência Galvânico Galvânico Tabela 2.5: Especificações de diferentes sensores de oxigénio dissolvido
2.3.4 Condutividade
Para determinação da condutividade de uma solução existem sensores capacitivos e indutivos. No caso dos sensores capacitivos, o teste de condutividade baseia-se na aplicação de dois elé-trodos em contacto com a amostra. Através da aplicação de uma tensão de corrente alternada nos elétrodos é gerada uma corrente elétrica que atravessa o líquido. A intensidade dessa corrente elétrica, e por sua vez a condutividade, são diretamente proporcionais à quantidade de partículas portadoras de carga. Isto é, quanto maior for a concentração de aniões e catiões, maior a condutivi-dade elétrica. Com concentrações elevadas de iões poderá ocorrer o fenómeno de polarização que diminui a corrente elétrica, devido ao afastamento dos iões com a mesma carga em movimento, o que prejudica a precisão das medidas.
Os sensores indutivos possuem duas bobinas. Uma corrente elétrica alternada é aplicada na bobina transmissora onde é gerado um campo magnético. Este campo, por sua vez, faz mover as partículas iónicas presentes na solução induzindo uma corrente na bobina recetora. A intensidade desta corrente induzida depende da quantidade de iões livres e é assim possível determinar a condutividade. Este tipo de sensores são indiferentes ao fenómeno de polarização [40].
20 Estado da Arte
Atlas Scientific Conductivity Probe Aqualabo C4E Aqualabo CTZN
Fabricante Atlas Scientific PONSEL PONSEL
Range 5 - 200000 µS/cm 0 - 200 mS/cm 0 - 100 mS/cm
Interface Analógico Modbus RS-485
SDI-12
Modbus RS-485 SDI-12
Preço 139e £660
-Tipo Capacitivo Capacitivo Indutivo
Tabela 2.6: Especificações de diferentes sensores de condutividade da água
Devido à dependência entre condutividade e a temperatura, esta última deve ser medida em paralelo e a condutividade medida é relacionada com uma temperatura de referência.
Em certas situações pode manifestar-se relevante a deteção de determinadas partículas espe-cíficas. Com recurso das propriedades da condutividade e com a utilização de elétrodos sensíveis a iões (ISE do inglês ion selective electrode) estes instrumentos podem ser usados na deteção de nitratos e fosfatos provenientes da agricultura ou amoníaco provenientes da industria, por exemplo.
2.3.5 Sondas de multi parâmetros
A Yellow Springs Instrument [41] é uma empresa americana fundada em 1948 por antigos alunos do Antioch College em Yellow Springs no estado de Ohio [42].
Com mais de 70 anos de história, o grupo vem-se dedicando ao desenvolvimento de sistemas, sensores e software para recolha de amostras, análise e monitorização da qualidade da água. A organização tem desenvolvido produtos com recurso a avançada tecnologia direcionada não só à qualidade da água, bem como, ao estudo dos fundos marinhos e leitos de rios, das orlas costeiras e às mais diversas áreas ligadas ao ambiente aquático.
De entre o extenso catálogo de produtos disponível, importa destacar as sondas que incorporam a possibilidade de ligação de um conjunto diverso de sensores de forma a permitir a recolha de dados de diferentes parâmetros em simultâneo e com o uso de um único equipamento. É o caso das sondas EXO da figura2.11.
2.4 Fonte de Alimentação e Tecnologias de Energy Harvesting 21
Este tipo de sonda permite ao utilizador fazer rapidamente uma configuração com diferentes sensores de acordo com o objetivo de estudo. Tem a opção de ligação de quatro, cinco ou sete sensores, por exemplo sensor de temperatura, pH, potencial de oxidação redução, condutividade, turbidez, amoníaco, nitrato, oxigénio dissolvido, entre outros.
Possuí memória interna para armazenamento de dados para posterior análise, suporte para diferentes protocolos de comunicação Modbus RS-485, RS-232, SDI-12, comunicação sem fios Bluetooth. Existe a opção de alimentação interna ou externa, com duração da bateria de cerca de 90 dias.
A empresa fornece software específico e dispositivos de interligação com as sondas de forma a usufruir ao máximo dos recursos deste equipamento.
2.4
Fonte de Alimentação e Tecnologias de Energy Harvesting
Este sistema de monitorização destina-se a ser aplicado junto das margens dos recursos hí-dricos o que representa um acesso dificultado a uma rede de energia elétrica. Com o objetivo de conferir autonomia energética ao projeto, um requisito crucial do mesmo, é imprescindível a im-plementação de um módulo de alimentação apropriado e que garanta a eficiência energética. Esta pode ser alcançada com recurso a tecnologias de recolha de energia de fontes externas adjacentes a uma solução de armazenamento.
2.4.1 Fontes de energia
O objetivo da recolha de energia é converter em energia elétrica a energia que existe em outras formas no espaço envolvente de forma a alimentar os dispositivos eletrónicos. Essas formas de energia podem ser por exemplo a energia solar, de rádio-frequência, térmica, hídrica ou eólica. Escolher uma fonte de energia requer a identificação da potência necessária para alimentação do sistema e garantir que esta é fornecida com níveis de tensão e corrente adequados. No ambiente em questão, duas destas fontes de energia apresentam um relevância adicional em relação às restantes, especificamente a energia solar e hídrica da água.
2.4.1.1 Energia Solar
Devido à sua abundância no meio ambiente, quase ilimitada, a energia proveniente do sol é uma fonte de energia limpa e acessível revelando-se uma escolha evidente para a alimentação da maioria das redes de sensores sem fios.
A energia solar é transformada em energia elétrica através das células fotovoltaicas. A potência elétrica produzida pelos painéis solares depende tanto da intensidade de luz incidente como do seu tamanho e rendimento. É, contudo, necessária uma eficiência elevada do sistema durante a luz do dia de forma a assegurar o correto funcionamento do mesmo no período noturno. As células fotovoltaicas são fabricadas na sua maioria por silício e podem ser classificadas de acordo
22 Estado da Arte
com a composição, nomeadamente células mono-cristalinas (com eficiência de 15-24%), poli-cristalinas (com eficiência de 14-20.4%) e de silício amorfo (com eficiência de 8-13%) [14]. No dimensionamento de sistemas de recolha de energia solar para sistemas embebidos é tipicamente considerado o valor de 15mW /cm2[14] para a densidade de potência.
Figura 2.12: Curvas de caraterística I-V (a vermelho) e de potência (a azul) de um painel fotovol-taico [4]
Na figura2.12podemos observar graficamente as caraterísticas elétricas que devem ser anali-sadas na escolha de um painel fotovoltaico, nomeadamente:
Pmax– Potência máxima do painel; VOC– Tensão de circuito aberto; VMP– Tensão à máxima potência; IMP– Corrente à máxima potência;
O custo de um painel solar é muito variável dependendo da eficiência, tamanho e material de composição das células fotovoltaicas. A título de exemplo, o preço de um painel policristalino de 10W (VMP=17.5V, IMP=0.58A, 29x33cm) situa-se nos 25e, enquanto um painel policristalino de 40W (VMP=18.5V, IMP=2.17A, 67x45cm) ronda os 60e.
2.4.1.2 Energia Hídrica
Este método de recolha de energia recorre aos princípios da indução eletromagnética para con-verter em eletricidade a energia cinética da água. O fluxo de água através das pás de uma turbina produz a rotação de um gerador que produz energia. Posteriormente esta é, à semelhança da outra solução, armazenada para utilização pelo sistema de monitorização. O total de energia produzida é dependente do volume e velocidade da água do rio. A eficiência deste tipo de dispositivos está essencialmente relacionada com a estrutura física da turbina usada, como se pode ver em [5]. Na figura2.13apresentam-se diagramas de diferentes soluções para configuração das pás das turbinas.
2.4 Fonte de Alimentação e Tecnologias de Energy Harvesting 23
(a) (b)
Figura 2.13: Estruturas de turbinas hidroelétricas de eixos: (a) horizontal e (b) vertical [5]
2.4.2 Armazenamento Energético
A escolha da tecnologia de armazenamento de energia depende dos requisitos da aplicação. Neste contexto, o tamanho, a capacidade, a potência, o numero de ciclos de carga e descarga e o impacto ambiental são preponderantes na decisão. Para estes dispositivos existem diversas soluções tais como baterias, supercondensadores e soluções híbridas que incorporam as duas an-teriores.
No caso das baterias é ainda necessário considerar aspetos como densidade energética, a re-sistência interna e a tolerância de sobrecarga. A densidade energética (Wh/kg) indica a máxima quantidade de energia possível de ser armazenada por unidade de massa. A capacidade da bateria representa a quantidade de energia que pode ser acumulada numa célula carregada. O número de ciclos de carga e descarga de uma bateria, que representam o seu tempo de vida, varia de acordo com o tipo do material de que são fabricadas e durante esse tempo a capacidade da mesma diminui devido à degradação dos elétrodos por corrosão. Na tabela2.7estão sintetizadas várias parâmetros de diferentes tipos de baterias.
Tipo Tensão (V) Capacidade (Ah) Ciclos carga/descarga Densidade energética (Wh/kg) Lead-Acid 2 1.3 500–1,000 30–50 MnO2Li 3 0.03–5 1,000–2,000 280 Li poly-carbon 3 0.025–5 - 100–250 LiSOCl2 3.6 0.025–40 - 350 LiO2S 3 0.025–40 - 500–700 NiCd 1.2 1.1 10,000–20,000 50–60 NiMH 1.2 2.5 1,000–20,000 60–70 Li-Ion 3.6 0.74 1,000–100,000 75–200 MnO2 1.65 0.617 - 300–610
24 Estado da Arte
As baterias de chumbo são muito utilizadas em diversas aplicações devido ao baixo custo e fiabilidade. No entanto, os longos tempos de carga e o reduzido número de ciclos de vida associa-dos ao impacto ambiental negativo refletem-se em uma tendência para a substituição por tecnolo-gias com maior capacidade energética e maior eficiência [15] [43]. As baterias de níquel-cádmio (NiCd) apresentam tempos de recarga reduzidos e longo tempo de vida útil, contudo a sua utiliza-ção é limitada dada a baixa capacidade e custos elevados em relautiliza-ção às baterias de chumbo [15]. As baterias de iões de lítio são muito atrativas para o mercado dos produtos eletrónicos devido ao seu tamanho e massa reduzidas associadas à elevada eficiência e tensão das células. As principais desvantagens desta tecnologia são o elevado custo inicial e a necessidade de um circuito especial de proteção de sobrecarga [14] [15]. Outra adversidade do uso de baterias de iões de lítio, em especial no caso específico deste trabalho, é a possibilidade de explosão da bateria em contacto com humidade.
Os supercondensadores apresentam várias vantagens quando comparados com as baterias re-carregáveis, nomeadamente longo tempo de vida útil sem perda de desempenho e capacidade de armazenamento, na ordem das centenas de milhar de ciclos de carga e descarga, rápida e elevada eficiência no processo de carregamento [14].
Supercondensador Ciclos carga/descarga Densidade
energética (Wh/kg) Tensão (V) Maxwell PC10 500,000 1.4 2.5 Maxwell BCAP0350 500,000 5.1 2.5 Green-cap EDLC >100,000 1.47 2.7 EDLC SC 1,000,000 3–5 2.7 Pseudo SC 100,000 10 2.3–2.8 Hybrid SC 500,000 180 2.3–2.8
Tabela 2.8: Características de diferentes tipos de supercondensadores [14] [15]
2.5
Comunicação
Uma das principais problemáticas das redes de sensores sem fios fios é a comunicação. São muitos os desafios que são colocados na troca de mensagens entre dispositivos eletrónicos loca-lizados em áreas remotas e os servidores. Tais como, a cobertura de rede, a largura de banda de transmissão e tamanho das mensagens.
Existem atualmente diversas tecnologias de comunicações sem fios, cada uma delas apresenta características diferentes. Isso exige, no momento de seleção da tecnologia a utilizar, compreender as necessidades e exigências do projeto, de forma a implementar a solução mais adequada ao contexto de aplicação.
Neste projeto, as comunicações são asseguradas pela rede Sigfox. Este era um dos pré-requisitos do trabalho proposto. No entanto, existem também outras tecnologias, nomeadamente as redes de comunicação móveis GSM, 3G e 4G, ZigBee, LoRa, WiFi ou Bluetooth, especialmente
2.5 Comunicação 25
desenvolvidas com o objetivo de desempenhar as tarefas de comunicação entre pequenos apare-lhos eletrónicos. Esta secção é dedicada à apresentação detalhada da rede Sigfox pretendendo expor todas as suas caraterísticas e evidenciar as razões da escolha desta.
2.5.1 Sigfox
A rede Sigfox é uma rede global de telecomunicações direcionada particularmente para o mer-cado das IoT – Internet of Things – foi desenvolvida em 2009 pela multinacional francesa com o mesmo nome [44].
A Sigfox é uma operadora de rede incluída no domínio das redes LPWAN, Low Power Wide Area Network, designada recentemente por rede 0G (por comparação ao surgimento das redes 5G). Este tipo de comunicações privilegia o baixo consumo energético no envio e receção de mensagens o que permite aumentar significativamente a autonomia dos dispositivos e a transmissão a longas distância, 10-40km em áreas rurais e 1-5km em áreas urbanas [45], viabilizando uma extensa cobertura de rede. Como resultado direto destes aspetos existem algumas restrições na largura de banda usada e no tamanho dos dados transmitidos. Outra característica inerente a esta tecnologia é o baixo custo de implementação. Ao nível da rede, o longo alcance dispensa um grande número de infraestruturas, e para o utilizador cada módulo de comunicação e correspondente subscrições têm um preço residual.
Segundo a página web da empresa, a rede Sigfox está já implementada em 58 países nos cinco continentes do mundo. Em Portugal, o serviço existe desde 2015, é assegurado desde 2019 pela Cellnex Telecom(o mesmo fornecedor da rede em Espanha) e a cobertura é praticamente total.
Figura 2.14: Cobertura da rede Sigfox. Azul áreas com serviço ativo e violeta áreas em implementação
O protocolo Sigfox utiliza uma gama do espetro das rádio frequências sem licença destinados ao uso industrial, científico e médico com aproximadamente uma largura de banda de 200kHz. A sua localização no espetro eletromagnético varia consoante a zona do globo sendo 868MHz na Europa e Médio Oriente, 915MHz na América do Norte e 433 MHz na Ásia [45]. Com o recurso
26 Estado da Arte
às técnicas de UNB – Ultra Narrow Band – a largura de banda das frequências é usada de forma eficaz e eficiente o que se traduz numa elevada imunidade ao ruído, um baixo consumo energético e sensibilidade elevada do recetor mesmo com antenas de baixo custo.
Na figura2.15podemos observar os diferentes elementos que integram o sistema de comu-nicações. Da esquerda para a direita temos, os dispositivos eletrónicos que enviam e recebem mensagens, as estações Sigfox implementadas sobre as antenas de telecomunicações já existentes, o servidor externo Sigfox CLOUD, que funciona como um canal intermédio entre as estações e a aplicação personalizada desenvolvida pelo utilizador.
Figura 2.15: Arquitetura da rede Sigfox [6]
A pilha protocolar Sigfox, figura2.16, que estabelece os padrões da comunicação está locali-zada entre o sistema de monitorização e as estações base. Esta pilha é composta de três camadas Frame, MAC (Medium Access Control) e a camada física.
Figura 2.16: Pilha protocolar da rede Sigfox [6]
A camada física recebe o sinal completo e procede à modelação do mesmo de forma a integrar a informação necessária numa onda portadora e realizar a transmissão corretamente. Esta camada recorre ao processo de modelação DBPSK, Diferential Binary Phase-Shift Keying, e GFSK, Gaus-sian Frequency-Shift Keying para as mensagens uplink e downlink, respectivamente. Com estes
2.5 Comunicação 27
métodos a potência de transmissão pode atingir, por exemplo, 14dBm nos países europeus ou os 22dBm no continente americano [6].
A camada MAC é responsável pela agregação (na transmissão) e desagregação (na receção) da informação das mensagens Sigfox. Na figura2.17 é possível observar os diferentes campos que constituem uma mensagem. As tramas são compostas por um prefixo para sincronização, o Frame Synccontém o tipo de trama, um identificador único para cada dispositivo End-Device ID, o payload para transporte de dados, o Authentication garante a autenticidade da mensagem e o campo FCS (Frame Check Sequence) para deteção de erros. A trama downlink contêm ainda um conjunto de flags e códigos de erro.
A camada Frame, correspondente às camadas de transporte e de rede do modelo OSI, gera a estrutura do sinal rádio, a partir do payload proveniente da camada de aplicação desenvolvida pelo utilizador, adicionando o número de sequência.
Figura 2.17: Trama de comunicação uplink e downlink da rede Sigfox [7]
Nas mensagens uplink cada dispositivo ligado à rede envia um sinal de rádio que será recebido pelas estações base dentro do raio de alcance. As mensagens detetadas por cada estação base são enviadas para a cloud onde estas são agregadas, eliminando dados duplicados. De seguida uma simples mensagem é encaminhada para a aplicação desenvolvida pelo utilizador. A rede Sigfox suporta um tamanho máximo de 12 bytes de dados para mensagens uplink, até a um máximo 140 mensagens diárias. Estas são transmitidas a uma taxa de transmissão de 100bps ou 600bps dependendo da região de operação.
No caso de mensagens downlink o procedimento é diferente. É possível ao utilizador o envio de dados para o dispositivo em qualquer altura, no entanto esta tomada de decisão terá de ser realizada pelo próprio dispositivo. Este envia uma mensagem uplink com um pedido de receção e compete ao utilizador o envio da resposta no momento oportuno. Uma vez enviada para a cloud, o sistema encarrega uma estação base de fazer a transmissão para o dispositivo. A taxa de transferência é de 600bps e está limitado a 4 mensagens diárias. O tamanho máximo de uma mensagem downlink são 8 bytes.
Capítulo 3
Solução Proposta
Como ponto de partida para este trabalho foi realizada uma análise de requisitos do sistema. Este estudo permitiu entender claramente as exigências envolvidas no projeto, de modo a tomar decisões adequadas quanto à forma de implementação do mesmo. É também com base nestes requisitos e na verificação dos mesmos no final, que podemos avaliar o sucesso do trabalho reali-zado, assim como, retirar conclusões concretas sobre a pertinência das soluções adoptadas.
3.1
Análise de requisitos
O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema para monitorização em tempo real de determinados parâmetros físicos e químicos de águas fluviais, por forma a inferir sobre a sua qualidade. A partir das observações recolhidas, fazer uma análise com base em algoritmos pré-programados e/ou inseridos pelo utilizador com o intuito de detetar perturbações indesejadas. Após a recolha e análise dos dados, o sistema deverá comunicar informações relevantes a um servidor, ficando estas disponíveis para acesso por uma aplicação externa permitindo avaliar a necessidade de intervenção humana no local.
Uma vez que as margens dos recursos hídricos, com vista à instalação deste sistema, se en-contram por vezes em áreas de difícil acesso, torna-se imprescindível garantir uma autonomia energética elevada que minimize a intervenção do utilizador.
Na tabela3.1são apresentados os requisitos do sistema de acordo com a componente do pro-jeto a que se referem.
30 Solução Proposta
Requisitos
1. Módulo de recolha e análise de dados:
(a) Executar a leitura de sensores de temperatura, pH, oxigénio dissolvido e condutividade da água;
(b) Permitir a escalabilidade do sistema relativamente ao número e tipo de sen-sores a utilizar;
(c) Permitir a leitura periódica de diferentes tipos de sensores com período mí-nimo de 1 h;
(d) Implementar um escalonador de tarefas de recolha de dados em tempo real; (e) Armazenar os dados recolhidos dos diferentes sensores em memória não
vo-látil;
(f) Armazenar os registos referentes a eventos e ocorrência de alarmes em me-mória não volátil;
(g) Permitir ao utilizador configurar a localização GPS do módulo; (h) Permitir ao utilizador definir e configurar os sensores a utilizar;
(i) Permitir ao utilizador fazer a configuração dos alarmes;
2. Interface dos sensores:
(a) Permitir a conexão de sensores analógicos com sinais de grandezas compre-endidas entre -5V e 5V;
(b) Permitir a conexão de sensores digitais. Implementando o protocolo de co-municação Modbus através de uma interface RS-485 comum em sensores ambientais;
3. Interface com o utilizador:
(a) Permitir descarregar os ficheiros, com o registo de dados e eventos, através de comunicação sem fios Bluetooth e com recurso a um smartphone;
3.2 Arquitetura do sistema 31
(b) Permitir ao utilizador configurar as especificações do sistema, nomeada-mente:
i. número de identificação; ii. localização GPS;
iii. identificação dos sensores, períodos de leitura e endereço;
(c) Permitir ao utilizador especificar o tipo de alarmes a utilizar através de um ficheiro de configuração;
4. Comunicação com o servidor externo:
(a) A comunicação deve ser sem fios, com recurso à rede Sigfox; (b) O sistema deverá comunicar o ocorrência dos alarmes definidos;
(c) O sistema deverá comunicar diariamente dados relativos a cada parâmetro em análise;
(d) O formato das mensagens enviadas deverá obedecer a um padrão definido;
5. Fonte de alimentação:
(a) Garantir a autonomia do sistema por um período superior a um ano;
(b) Integrar um sistema de recolha de energia do meio envolvente e armaze-namento da mesma, de forma a garantir a autonomia enunciada no ponto anterior;
Tabela 3.1: Lista de requisitos do sistema
3.2
Arquitetura do sistema
De acordo com os propósitos do projeto e de forma a garantir o cumprimento dos requisitos acima enunciados, foi desenvolvida uma arquitetura modular, construída com base em quatro blocos fundamentais, ver figura3.1.
No plano central temos o controlador do sistema responsável pela aquisição, análise e armaze-namento de dados, gestão energética, comunicações e interface com o utilizador. Foram analisadas várias alternativas para o controlador, entre as quais foi escolhido o controlador ESP-WROOM-32D [16] desenvolvido pela Espressif. Este incluí no seu interior um microprocessador Xtensa de
