Lorraine de Miranda Paiva Maria Carolina Milhomem Magalhães

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1 Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações Lorraine de Miranda Paiva Maria Carolina Milhomem Magalhães Uso de sensores e acesso remoto para a realização de aula prática sobre reservatórios de detenção aplicados à drenagem urbana Niterói RJ 2018

2 Lorraine de Miranda Paiva Maria Carolina Milhomem Magalhães Uso de sensores e acesso remoto para a realização de aula prática sobre reservatórios de detenção aplicados à drenagem urbana Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações. Orientador: Prof. D.Sc. Alexandre Santos de la Vega Coorientador: Prof. M.Sc. Dario de Andrade Prata Filho Niterói RJ 2018

3 ii..

4 iii Lorraine de Miranda Paiva Maria Carolina Milhomem Magalhães Uso de sensores e acesso remoto para a realização de aula prática sobre reservatórios de detenção aplicados à drenagem urbana Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações. Aprovada em 02 de julho de BANCA EXAMINADORA Prof. D.Sc. Alexandre Santos de la Vega - Orientador Universidade Federal Fluminese - UFF Prof. M.Sc. Dario de Andrade Prata Filho - Coorientador Universidade Federal Fluminese - UFF Profa. M.Sc. Maria Helena Campos Soares de Mello Universidade Federal Fluminese - UFF Profa. D.Sc. Maria Clicia Stelling de Castro Universidade Estadual do Rio de Janeiro - UERJ Niterói RJ 2018

5 iv Resumo Este trabalho apresenta a elaboração e a realização de uma aula prática remota, a partir da automatização de um experimento com modelo físico sobre detenção de água de chuva no Laboratório de Drenagem, Irrigação e Saneamento Ambiental (LaDISan), localizado na Universidade Federal Fluminense (UFF). Para tal, foram utilizadas as tecnologias de automatização e de acesso remoto. As motivações para a realização do projeto foram a relação entre o pequeno espaço físico do laboratório e a grande quantidade de alunos por turma e o fato da planta do laboratório ser originalmente desprovida de equipamentos para medição automática. O trabalho, primeiramente, trata do cenário inicial em que se encontravam o laboratório e o experimento utilizados para a realização da aula prática remota. Após isto, relata duas etapas do projeto. Cada etapa apresenta os problemas enfrentados, as soluções propostas e implementadas, bem como o relato sobre as realizações das aulas práticas remotas na disciplina de Saneamento Básico II, nos períodos letivos e Por fim, é feita uma comparação entre essas etapas. A partir da avaliação positiva das turmas e dos responsáveis pelo LaDISan ao trabalho realizado, concluiu-se que o projeto foi cumprido com êxito. Palavras-chave: Aula prática remota. Laboratório de Graduação. Planta Didática. Aquisição Automática de Dados.

6 v Abstract This work presents the elaboration and the accomplishment of a remote practical class, from the automation of an experiment with physical model on rainwater detention in the Laboratório de Drenagem, Irrigação e Saneamento Ambiental (LaDISan), located at the Universidade Federal Fluminense (UFF). For this, automation and remote access technologies were used. The motivations for the realization of the project were the relationship between the small physical space of the laboratory and the large number of students per class and the fact that the laboratory plant was originally devoid of equipment for automatic measurement. The work, first, deals with the initial scenario in which the laboratory and the experiment were before the remote practical class. After this, it reports on two stages of the project. Each stage presents the problems faced, the solutions proposed and implemented, as well as the report on the achievements of the remote practical classes in the discipline of Saneamento Básico II, during the and schooling periods. Finally, a comparison is made between these steps. From the positive evaluation of the students and those responsible for LaDISan to the work done, it was concluded that the project was successfully completed. Keywords: Remote practical class. Graduation Laboratory. Didactic Plant. Automatic Data Acquisition.

7 vi Dedico este trabalho a todos que contribuíram nesta caminhada. Em especial, a minha mãe, Rozana, ao meu pai, Alexandre, e aos meus professores orientadores, Alexandre e Dario. Lorraine de Miranda Paiva

8 vii Dedico este trabalho aos meus pais, Sandra e Cláudio, e a minha irmã, Ana Luíza, por sempre terem acreditado no meu potencial e aos meus professores orientadores, Alexandre e Dario, pela participação em minha formação profissional. Maria Carolina Milhomem Magalhães

9 viii Agradecimentos Gostaria de agradecer, em primeiro lugar, a todos os membros da minha família que, de alguma forma, contribuíram com a minha jornada até aqui. Especialmente aos meus pais, Rozana Bittencourt e Alexandre Paiva, por todo amor, dedicação e apoio ao longo da minha vida e por acreditarem em mim em todos os momentos. Agradeço a todos os meus amigos da UFF pela amizade, pelas risadas, pelo carinho, pela companhia e por tornarem esses cinco anos muito mais fáceis e divertidos. Em especial, aos meus amigos do grupo PET-Tele, por todos ensinamentos, trabalho em equipe e suporte. Às meninas da república, Amanda, Maria, Michaela e Tatiana, por se tornarem minha segunda família e fazerem com que nunca me sentisse sozinha. Aos amigos que a Huawei me concedeu que me trazem tanto conhecimento e alegria. Aos amigos, Lucas Siqueira e Thiago Chequer, por terem ajudado muito com o projeto. Queria agradecer, particularmente, a minha dupla, parceira e amiga, Maria Carolina, pela paciência, organização e apoio na vida e, principalnte, durante o desenvolvimento desse trabalho. Um agradecimento especial a todos os educadores que já passaram pela minha vida e ajudaram a tornar meus objetivos possíveis. Ao meu professor, orientador e tutor, Alexandre S. de la Vega, pela oportunidade da realização desse trabalho, por todos ensinamentos a mim passados, pela parceria, pela amizade e, principalmente, pela paciência. Ao meu coorientador Dario de A. Prata Filho, por confiar, apoiar e aprovar as nossas ideias e por toda ajuda nos concedida sempre, à qualquer hora. Enfim, um obrigada à cada pessoa que de alguma forma me ajudou a chegar aqui. Lorraine de Miranda Paiva

10 ix Primeiramente, agradeço aos meus pais, Sandra Milhomem e Cláudio Magalhães, pela dedicação, pelo esforço e por sempre me apoiarem nas minhas decisões, sem eles eu não teria chegado até aqui. À Ana Luíza, minha irmãzinha, pelo amor mais sincero. Ao meu padrinho Renato Felipe e à minha avó Guaraciaba Soares pelo exemplo de vida. À todos os meus familiares que de alguma forma fizeram parte dessa caminhada. Agradeço às amigas que se tornaram família nesses cinco anos de república: Alana, Amanda, Lorraine, Michaela e Tatiana. Obrigada pelas receitas deliciosas que cozinhamos, pelas tardes na sala jogando conversa fora ou assitindo filmes, pelas risadas e pelo carinho. À todos os amigos que ganhei de presente da UFF, que tornaram o meu dia-a-dia na universidade muito mais divertido e espontâneo. À minha equipe de trabalho na TIM Celular, por terem se tornado amigos, além de colegas de trabalho e por terem me apoiado na conclusão da minha graduação. Agradeço também aos amigos do grupo PET-Tele pelo suporte e realização deste trabalho. À Lorraine Paiva, minha dupla, pela parceria e amizade durante todos os anos de graduação e pelo desenvolvimento deste trabalho. Agradeço ao meu orientador Alexandre Santos de la Vega pelos ensinamentos dentro e fora de sala de aula, pela excelente orientação a mim proporcionada, pela paciência e amizade. Ao Dario de Andrade Prata Filho, meu coorientador, por ter aceito essa proposta de projeto de braços abertos, além de sua disponibilidade de tempo e suas explicações de conceitos ambientais. Agradeço, ainda, à Deus por ter me dado força nos momentos que precisei. Obrigada, de verdade, a todos que estiveram comigo durante essa jornada! A felicidade só é real quando compartilhada. Christopher McCandless Maria Carolina Milhomem Magalhães

11 Lista de Figuras 2.1 Diferença entre o método de detenção e o método de retenção Gráfico de Vazão X Tempo, mostrando a diferença entre as vazões de entrada e de saída de um reservatório Foto da planta didática do experimento de bacia de detenção Tipos de hidrogramas de entrada estudados Sensor G1/2 water flow [11] Exemplificação do imã na hélice girando dentro do sensor e encontrando o imã do corpo [14] Placa Arduino Uno Rev3 [17] IDE do Arduino com código exemplo nativo do próprio Posicionamento dos sensores em relação os reservatórios Webcam Multilaser WC046 [22] Console de gerenciamento do TeamViewer Imagem vista na tela do notebook localizado na sala de aula Cenário do laboratório durante a primeira aula prática remota Hidrograma assimétrico, com fase de avanço rápida e fase de recessão longa Perguntas e respostas referentes à qualidade do vídeo e à do gráfico Pergunta e respostas referentes à visualização do laboratório Perguntas e respostas referentes à compreensão da prática e da teoria Respostas diretamente referentes à aprovação da aula Câmera Wireless IP [31] Interface gráfica do ViewDuino Imagem vista na tela do notebook localizado no laboratório Cenário do laboratório durante a segunda aula prática remota x

12 xi 4.5 Hidrograma simétrico: avanço e recessão ocorrendo em tempos iguais Hidrograma assimétrico: avanço rápido e recessão longa Hidrograma assimétrico: avanço lento e recessão rápida Cenário da sala de aula durante a segunda aula prática remota Os autores e os alunos presentes, após o término da aula Perguntas e respostas referentes à qualidade do vídeo e à do gráfico Pergunta e respostas referentes à visualização do laboratório Perguntas e respostas referentes à compreensão da prática e da teoria Respostas diretamente referentes à aprovação da aula Comparação perguntas e respostas referentes à qualidade do vídeo e à do gráfico Comparação pergunta e respostas referentes à visualização do laboratório Comparação perguntas e respostas referentes à compreensão da prática e da teoria

13 xii Lista de Tabelas 3.1 Tabela de medições no LaDISan Tabela de medições na sala de aula

14 Sumário Resumo Abstract Agradecimentos Lista de Figuras Lista de Tabelas iv v viii xi xii 1 Introdução Objetivo Motivações Organização Cenário inicial O laboratório LaDISan Conhecimento do experimento Teoria: escoamento superficial de águas pluviais Prática: experimento acadêmico da bacia de detenção A Disciplina Saneamento Básico II Didática da aula Problemas enfrentados na aula prática Primeira etapa do projeto Soluções implementadas Sensor water flow Arduino xiii

15 xiv Webcam TeamViewer Conexão Internet Primeira aula prática remota realizada Preparação da aula Execução da aula Recepção da turma Problemas enfrentados Segunda etapa do projeto Soluções implementadas Câmera IP ViewDuino Melhorias de audioconferência Segunda aula prática remota realizada Preparação da aula Execução da aula Recepção da turma Problemas enfrentados Comparação das etapas do projeto Recepção das turmas Conclusão e trabalhos futuros Conclusão Sugestões para trabalhos futuros Referências Bibliográficas 48 Índice Remissivo 53 A Código Arduino 53

16 Capítulo 1 Introdução 1.1 Objetivo A tecnologia pode ser definida como qualquer aplicação da ciência para realizar uma função. Ela se baseia no estado atual do conhecimento da humanidade sobre como combinar recursos para gerar produtos desejados, resolver problemas ou satisfazer necessidades. Quando combinado com outro termo, como tecnologia espacial, refere-se ao estado do conhecimento e das ferramentas do respectivo campo [1]. Este trabalho de conclusão de curso trata da tecnologia de automatização e da tecnologia de acesso remoto. A automatização é uma tecnologia na qual um processo é realizado sem assistência humana. Nela, são utilizados vários sistemas de controle automático para operar equipamentos, procedimentos em fábricas, comutação de redes telefônicas, direção e estabilização de veículos e outras aplicações. Esta tecnologia pode ser alcançada por vários meios, incluindo dispositivos mecânicos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos, eletrônicos e computadores, geralmente em combinação. Seu controle pode variar de um simples comando on-off a algoritmos de alto nível multivariáveis. Os benefícios da automatização incluem melhorias na qualidade, precisão e exatidão de medições, além de redução de trabalho manual [2]. A tecnologia de acesso remoto pode ser explicada como o controle remoto de um dispositivo a partir de outro dispositivo, conectados por um meio de comunicação adequado. Por exemplo, isso é amplamente usado para suporte técnico de TI (Tecnologia da Informação) e para compartilhamento da tela de um computador em aulas ou palestras à distância, de modo que faça com que o receptor visualize exatamente o que é reproduzido

17 2 no computador principal e, por vezes, faça edições e alterações mediante permissão [3]. O objetivo deste trabalho é utilizar estas tecnologias para elaborar e realizar uma aula prática remota a partir da automatização de um experimento com modelo físico sobre detenção de água de chuva no Laboratório de Drenagem, Irrigação e Saneamento Ambiental (LaDISan) [4], localizado na Universidade Federal Fluminense (UFF). Foram realizadas duas aulas remotas, nos períodos letivos e O relato da elaboração e da realização destas aulas está exposto ao longo do texto. 1.2 Motivações Diversas foram as motivações para o desenvolvimento deste projeto. A primeira delas foi aumentar a eficiência do uso da planta didática, criada para ser utilizada tanto em aulas práticas quanto nas pesquisas em modelagem de problemas reais que envolvem movimento de água em meio poroso. A planta do laboratório era desprovida de equipamentos para medição automática. Por exemplo, a medição de fluxo de água era realizada de forma manual, com o auxílio de provetas graduadas para medida de volume e de um cronômetro para medida de tempo. O objetivo foi resolver esse problema ampliando a infraestrutura do laboratório, através do uso de sensores para a aquisição automática e armazenamento de dados. Outra motivação foi a relação entre o insuficiente espaço físico do laboratório comparado à grande quantidade de alunos por turma. Em termos quantitativos, o espaço em torno da planta didática comporta, adequadamente, menos de dez pessoas, enquanto os módulos das turmas podem variar de trinta a sessenta alunos. Isso impossibilita receber todos os alunos de uma mesma turma simultaneamente para a realização de uma aula prática adequada. Esse problema vinha sendo contornado com a repetição da aula prática para subgrupos da turma, o que demandava mais tempo do professor, do monitor e dos alunos. A realização de uma aula remota foi o recurso pensado para solucionar esse problema. Por último, a inovação na relação ensino-aprendizado a partir da realização de uma experiência mais complexa e conjunta de todos os alunos. O projeto VISIR+ [5] pode ser citado como uma exemplificação da utilização de acesso remoto em aulas práticas. Este projeto tem como alvo a ampla área de Engenharia

18 3 Elétrica e Eletrônica. Seu objetivo é definir, desenvolver e avaliar um conjunto de módulos educacionais que incluam experimentos práticos, virtuais e remotos, sendo posteriormente suportados por um laboratório remoto chamado Virtual Instruments Systems In Reality (VISIR). Deve ser ressaltado que a iniciativa deste trabalho não pretende evitar o uso do laboratório nem afastar os alunos do ambiente prático. Pelo contrário, ela busca apenas disponibilizar mais uma ferramenta de apoio ao aprendizado, possibilitando que todos os alunos acompanhem conjuntamente uma experiência prática, de tal forma que os possíveis questionamentos, discussões e conclusões, possam afetar todo o conjunto simultaneamente. Isso não impede que os alunos, isoladamente ou em pequenos grupos, repitam a experiência no laboratório, de forma presencial, se assim desejarem. 1.3 Organização Este trabalho está organizado em seis capítulos. O primeiro capítulo consiste na introdução do trabalho descrevendo suas motivações e seus objetivos. O segundo capítulo apresenta o cenário inicial em que se encontravam o laboratório e o experimento utilizados para a realização da aula prática remota. Ele engloba o reconhecimento do LaDISan, as partes teórica e prática do experimento, além da descrição da disciplina em que foi realizada a aula, bem como os problemas enfrentados. No capítulo três, é apresentada a primeira etapa do projeto da aula remota, contemplando as soluções implementadas para a automatização da prática e para a realização do acesso remoto, bem como o relato de como foi a primeira aula realizada na disciplina em questão. O quarto capítulo apresenta a segunda etapa do projeto da aula prática remota, similarmente ao capítulo três, expondo mais soluções e o relato da segunda aula. O capítulo cinco compara os resultados obtidos entre a primeira e a segunda etapas do projeto, mostrando as mudanças na recepção das turmas nas duas situações. O sexto capítulo conclui o trabalho e apresenta os trabalhos futuros a serem desenvolvidos.

19 Capítulo 2 Cenário inicial O presente capítulo tem como intuito relatar o modo como funcionava o laboratório no cenário inicial, anterior ao projeto, bem como o experimento utilizado para realizar a aula prática remota. Para tal, descreve-se o reconhecimento do local, a parte teórica e prática do experimento, além de relatar sobre a disciplina na qual está inserida a aula prática remota. Posteriormente, são expostos os problemas enfrentados, pelo professor da disciplina, na realização da aula prática no cenário inicial. 2.1 O laboratório LaDISan O Laboratório de Drenagem, Irrigação e Saneamento Ambiental (LaDISan) foi criado com o objetivo de proporcionar suporte aos cursos de Engenharia da Universidade Federal Fluminense, por meio da pesquisa, do ensino e da extensão. O LaDISan trabalha nas linhas de pesquisa de saneamento ambiental (incluindo, sistemas de abastecimento de água, de esgotamento sanitário, de resíduos sólidos e de drenagem urbana), de irrigação e drenagem para fins agrícolas e paisagísticos e de drenagem de aterros sanitários, de encostas e áreas pavimentadas. Um dos objetivos do laboratório é realizar estudos que possam acarretar a consolidação de tecnologias inovadoras, através de experimentos que simulem problemas reais. Esses experimentos são passados em aulas práticas para as turmas de Engenharia da UFF [4]. Porém, por uma deficiência de espaço físico do LaDISan, é impossível receber todos os alunos de uma mesma turma no laboratório, principalmente quando este número excede

20 5 a 20 alunos. Este fato motivou a preparação e a realização da aula prática remota que é abordada nesse trabalho. A aula remota desenvolvida foi centrada no tema relacionado ao dimensionamento de Reservatórios de Detenção aplicados à solução de problemas de macrodrenagem. A Seção 2.2 descreve a teoria do problema real e como o experimento era realizado. 2.2 Conhecimento do experimento A aula prática remota, que é abordada nesse trabalho, baseia-se no desenvolvimento de um ensaio, em condições de laboratório, para a análise do volume detido em um Reservatório de Detenção, a partir de um evento de cheia, provocado artificialmente em um stand de laboratório do tipo ARMFIELD - Hydraulic Bench [6]. A utilização de Reservatórios de Detenção, constitui-se em um recurso amplamente utilizado na atenuação e retardamento da propagação de uma onda de cheia em um curso d água Teoria: escoamento superficial de águas pluviais Problema Geográfico O excesso de água, proveniente de chuvas intensas, causa um fenômeno chamado de escoamento superficial pluvial. Isso ocorre quando a intensidade de precipitação se torna maior do que a taxa de infiltração d água no solo. Os rios são naturalmente capazes de receber o aumento de vazões causado pelo escoamento superficial, por possuírem várzeas de inundação e vegetação ciliar. Porém, com o crescimento urbano, as áreas adjacentes aos cursos d água vem sendo cada vez mais intensamente ocupadas, reduzindo drasticamente as faixas marginais de inundação. Desse modo, as edificações, pontes, travessias de tubulações, entre outros, inseridos no próprio leito do curso d água, contribuem para o impedimento do fluxo normal de água nos rios urbanos. Tudo isso vem sendo feito sem planejamento prévio da ocupação do solo urbano, o que agrava sobremaneira o problema das cheias urbanas [7],[8].

21 6 Soluções Os estudos no âmbito da drenagem urbana visam equacionar os problemas das inundações nas cidades. Entre estes estudos, tem-se as modelagens hidrológicas do tipo chuva-vazão e as modelagens hidráulicas para análise das estruturas de condução das vazões geradas pelas precipitações pluviométricas. Esses estudos visam propor soluções que amenizem os impactos causados pelas cheias urbanas. Entre as soluções para redução de cheias urbanas, tem sido bastante difundido o uso de Reservatórios de Detenção ou, mesmo, os Reservatórios de Retenção. Nos Reservatórios de Detenção, o excesso do escoamento é detido e armazenado temporariamente, em um processo contínuo que vai reduzindo a vazão de saída em relação à de entrada no Reservatório, além de retardar a ocorrência do pico de vazão efluente. Já os Reservatórios de Retenção são capazes de reter determinado volume até um máximo, a partir do qual começa a liberar através do vertedouro. Nos Reservatórios de Retenção, o excesso de volume da chuva é armazenado total ou parcialmente na estrutura, onde deve ficar por tempo indeterminado. Esta água retida poderá ser aproveitada para diferentes fins, não retornando ao seu destino original [7],[9]. A Figura 2.1 ilustra a diferença entre os dois casos. Figura 2.1: Diferença entre o método de detenção e o método de retenção. Neste trabalho, é abordado o Reservatório de Detenção, mais especificamente chamado de bacia de detenção (detention pond) [7],[10]. Bacia de detenção Uma bacia de detenção é, simplesmente, um reservatório onde a água em excesso do rio fica detida, reduzindo e retardando o pico de vazão efluente.

22 7 A água entra no reservatório com sua vazão original e sai com uma vazão menor, evitando que o rio transborde e cause inundações nas áreas adjacentes às suas margens. O gráfico da Figura 2.2 representa a diferença das vazões de entrada e de saída do reservatório. A diferença entre as curvas representa os volumes detidos e liberados pelo reservatório. Assim, na fase inicial do processo, quando a vazão de entrada é maior que a vazão de saída, o reservatório encontra-se na fase de detenção. Já na segunda etapa, quando as vazões de saída são maiores que as de entrada, o reservatório encontra-se na fase de recessão, ou seja, está liberando água para o curso d água, após a redução do evento de chuva que causou o aumento da vazão registrada pelo hidrograma de entrada. Figura 2.2: Gráfico de Vazão X Tempo, mostrando a diferença entre as vazões de entrada e de saída de um reservatório. Para utilizar bacias de detenção, é necessário levar alguns aspectos em consideração, tais como: a vazão máxima suportada pelo leito do curso d água à jusante para que não ocorra inundação além de suas margens; a vazão máxima que o reservatório poderá deter sem verter; a geometria do leito do curso d água, tais como: dimensões da calha de condução, declividade, rugosidade e tipo de uso do solo nas áreas adjacentes. Se a intensidade de precipitação, que ocorrer na bacia de contribuição, produzir vazões maiores que a máxima suportada pelo reservatório, haverá saída de água pelo ver-

23 8 tedouro, o que pode não ser suportado pelo leito do curso d água à jusante do reservatório, causando inundações [7]. Com os dados de vazão máxima suportada pelo curso d água e os dados do hidrograma de entrada para um determinado período de retorno considerado, é possível saber qual o volume necessário a ser detido e, por conseguinte, o tamanho do reservatório de detenção a ser construído. Porém, é preciso avaliar a topografia local na região considerada, próxima às margens do curso d água, a fim de se verificar a viabilidade de instalação do reservatório no local. Caso não seja possível instalar um reservatório do tamanho requerido, uma solução é aumentar a quantidade de reservatórios, ao longo do curso d água, instalados em série, com volumes menores. É este tipo de solução, utilizando dois reservatórios em série, que é abordada no experimento prático, explicado a seguir Prática: experimento acadêmico da bacia de detenção O experimento prático de bacia de detenção conta com uma planta didática formada por dois galões plásticos, que simulam dois reservatórios de detenção instalados em série com controles independentes de entrada e de saída de água, conectados a um equipamento para coleta e bombeamento da água. A planta utilizada pode ser vista na Figura 2.3 Figura 2.3: Foto da planta didática do experimento de bacia de detenção.

24 9 O equipamento que bombeia a água simula uma chuva, sendo a vazão dessa chuva controlada por um registro manual. Os galões representam os reservatórios de detenção. A água bombeada pelo equipamento, passa pelo primeiro galão plástico (Reservatório 1), que detém o maior volume de água que pode suportar, até passá-la para o segundo galão plástico (Reservatório 2). A vazão de saída do segundo galão simula o volume de água na unidade de tempo que estaria, de fato, fluindo pelo rio. Na configuração original do experimento, não existia instrumentos para medição automática. Isso significa que as medições eram realizadas manualmente, com o auxílio de uma proveta graduada para medida de volume e de um relógio para medida de tempo. Ao longo do trabalho, está relatado os aprimoramentos realizados nessa configuração inicial. 2.3 A Disciplina Saneamento Básico II Didática da aula A disciplina Saneamento Ambiental II é ministrada pelo professor Dario de Andrade Prata Filho, para o curso de graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Meio Ambiente, junto ao Departamento de Engenharia Agrícola e Meio Ambiente (TER). O estudo do uso de reservatórios de detenção, começa na aula teórica da disciplina e depois é ilustrado em uma aula prática. Essas aulas levam o aluno a compreender o efeito hidráulico de atenuação e de retardo na propagação de ondas de cheias, ao passarem por reservatórios de detenção. O estudo da propagação de ondas de cheias tem aplicação imediata no controle e na previsão temporal e quantitativa dos níveis de cheias em determinados pontos de um curso d água, após um evento de precipitação na sua bacia contribuinte em uma determinada região geográfica [7]. Durante a aula prática, usualmente são simulados três tipos de hidrogramas: Assimétrico, com fase de avanço rápida e fase de recessão longa; Simétrico, com as fases de avanço e de recessão ocorrendo em tempos iguais, e; Assimétrico, com fase de avanço lenta e fase de recessão rápida. Estes hidrogramas podem ser vistos na Figura 2.4.

25 10 Figura 2.4: Tipos de hidrogramas de entrada estudados. Isso é feito por meio de uma ação de controle manual sobre um registro que permite aumentar ou reduzir a vazão d água. Há interesse que, durante a realização do ensaio, sejam apresentados gráficos que representem a variação das vazões e que sejam os valores numéricos medidos e armazenados em arquivos, para manipulação futura (elaboração de relatórios e reprodução dos gráficos visualizados durante a aula prática) Problemas enfrentados na aula prática Como os experimentos realizados no LaDISan têm a intenção de simular problemas reais, é preciso que as medições necessárias sejam realizadas com eficiência e precisão. Dessa forma, percebeu-se que era necessário desenvolver um sistema automático de medição de fluxo de água, nos pontos de entrada e saída de cada reservatório. Um outro problema enfrentado é a relação entre o pequeno espaço físico do laboratório e a grande quantidade de alunos por turma. Em termos quantitativos, o espaço em torno da planta didática comporta, adequadamente, menos de dez pessoas, enquanto os módulos das turmas podem variar de trinta a sessenta alunos. Esse problema tem sido contornado com a repetição da aula prática para subgrupos da turma. Por isso, surgiu a ideia de realizar a aula prática remota conforme descrita neste trabalho.

26 Capítulo 3 Primeira etapa do projeto Em busca de realizar melhorias no cenário inicial do projeto, algumas soluções foram implementadas a fim de automatizar a experiência prática. Neste primeiro momento, as soluções introduzidas foram os sensores de fluxo e o Arduino, utilizados para automatizar a medição de vazão da água, bem como uma webcam e o uso do software TeamViewer, utilizados para que fosse possível a realização da aula remota. Este capítulo apresenta as soluções implementadas, o relato de como foi a primeira aula prática remota realizada na disciplina em questão e os respectivos problemas enfrentados nessa primeira investida. 3.1 Soluções implementadas Sensor water flow A Figura 3.1 apresenta um sensor water flow, que é um objeto de plástico que contém um rotor (hélice) movido à água e um sensor de efeito Hall [11],[12],[13]. Um sensor de efeito Hall é um transdutor que varia sua tensão de saída em resposta a um campo magnético. No caso do sensor water flow, o sensor de efeito Hall é composto por um imã na hélice e um imã dentro do corpo do sensor. A cada vez que os imãs se encontram, ocorre um estímulo eletromagnético e a tensão de saída do transdutor apresenta um valor maior que zero, como exemplificado na Figura 3.2.

27 12 Figura 3.1: Sensor G1/2 water flow [11]. Figura 3.2: Exemplificação do imã na hélice girando dentro do sensor e encontrando o imã do corpo [14]. Como o próprio nome diz, o sensor water flow tem como objetivo medir o fluxo de água que passa por ele. Quando a água flui pelo rotor, ele gira de acordo com a velocidade da água, desta forma, é possível saber quantas interações magnéticas do efeito Hall ocorreram em um determinado intervalo de tempo. Com isso, calcula-se a vazão da água [15],[16]. Este sensor foi incluído na primeira etapa do projeto para automatizar o processo de medição da vazão de água que, na configuração original do experimento, era realizada manualmente, com o auxílio de um recipiente para medida de volume e de um relógio para medida de tempo. Para realizar a leitura dos dados desse sensor foi utilizado o Arduino, que está abordado a seguir Arduino O Arduino [17], mostrado na Figura 3.3, é uma plataforma eletrônica baseada em um conceito de hardware e software abertos e de fácil utilização. Ele é usado em diversas aplicações práticas, desde projetos básicos até complexos projetos científicos.

28 13 Figura 3.3: Placa Arduino Uno Rev3 [17]. Os kits de desenvolvimento Arduino utilizam um microcontrolador [18]. Um microcontrolador é um circuito integrado que reúne um microprocessador e diversos circuitos utilizados em atividades de controle. Apesar de um microcontrolador atender a códigos de máquina, é possível programar um kit Arduino a partir de uma linguagem de alto nível, similar às linguagens de programação C e C++ [19]. Isso é possível porque o projeto Arduino disponibiliza gratuitamente um IDE (Integrated Development Environment) que possibilita a edição do código, a sua compilação e o carregamento do código compilado no microcontrolador, ilustrado na Figura 3.4. Figura 3.4: IDE do Arduino com código exemplo nativo do próprio.

29 14 Pelas facilidades de projeto, de programação e de implantação, apresentadas pelo Arduino, ele foi incluído na primeira etapa do projeto, com o objetivo de realizar a aquisição dos dados provenientes da medição da vazão de água, feita pelo sensor water flow. O sensor water flow possui três conexões: GND (ground ou terra), Vcc (5 Volts) e saída digital. Estas conexões são ligadas, respectivamente, nas entradas GND, 5V e porta digital do Arduino. No caso desse projeto, foram utilizados 3 sensores. Um para a leitura da vazão de entrada do primeiro reservatório, um para vazão intermediária entre os reservatórios e um para vazão de saída do segundo reservatório, como indicado na Figura 3.5. Figura 3.5: Posicionamento dos sensores em relação os reservatórios. Para o cálculo da vazão, realizado pelo código programado no Arduino, foi utilizado o conceito computacional de interrupção. Durante um intervalo de tempo de t = 1 s, o atendimento a interrupções é habilitado e o código principal é pausado. A cada rotação do rotor, o sensor gera um pulso, que é aplicado a um pino do Arduino. Esse pulso aciona uma interrupção, que ativa um código de atendimento a tal interrupção, acumulando o número de vezes que o rotor do sensor girou. Ao final do intervalo de tempo, as interrupções são desabilitadas e o código principal calcula o valor da vazão. De acordo com o datasheet do sensor utilizado, a frequência dos pulsos gerados pelo sensor é igual a 7,5 vezes a vazão. Como a frequência é dada em Hz, ela representa o número de rotações do rotor em um segundo. Logo, para calcular o valor da vazão, bastar dividir a frequência medida por 7,5 [12]. As únicas portas digitais configuradas no Arduino Uno (que foi o kit utilizado no projeto) para operar uma rotina de interrupção são as portas 2 e 3. Alternativamente, pode-se utilizar a biblioteca PinChangeInt.h, que permite transformar qualquer pino di-

30 15 gital em um que acione uma rotina de interrupção. Como o projeto necessitava de mais de duas portas, utilizou-se a biblioteca [20]. Com isso, foi viável criar o código para a medição da vazão, apresentado no Apêndice A e comentado a seguir. A primeira etapa do código é a inclusão da biblioteca necessária, a declaração dos pinos que serão reconfigurados pela biblioteca e a declaração das demais variáveis. Foram declaradas variáveis para a contagem das rotações realizadas pelo rotor e para receber os valores das vazões. Assim, há um total de três conjuntos dessas variáveis, um para cada sensor. Em seguida, há a rotina void setup(), responsável pelas configurações do código. Primeiro, configura-se a taxa de transferência em bits por segundo para transmissão serial, para, deste modo, haver comunicação entre o computador e o Arduino, tornando-se possível utilizar o Serial Monitor e o Serial Plotter. O Serial Monitor e o Serial Plotter são terminais virtuais seriais que auxiliam no recebimento e no envio de dados entre o computador e o Arduino, sem a necessidade de recorrer a uma ferramenta externa. O Serial Monitor possui dois campos: um onde pode ser inserida uma mensagem a ser enviada ao Arduino e outro, maior, onde são exibidos os valores enviados do Arduino. O Serial Plotter, similarmente ao Serial Monitor, também exibe os valores enviados pelo Arduino, porém o faz graficamente [21]. As últimas configurações feitas na void setup() são para as portas digitais funcionarem como entrada e, logo após, serem usadas para chamar a rotina de interrupção. No código principal void loop(), a primeira etapa é atribuir valor 0 às variáveis responsáveis por armazenar a contagem das rotações realizadas pelo rotor. Para começar a leitura, a interrupção é habilitada, o programa é pausado por 1 segundo enquanto é feita a contagem das rotações e, logo após, a interrupção é desabilitada e é feito o cálculo da vazão. Por fim, utiliza-se a função Serial.print() para mostrar as medições no Serial Monitor ou no Serial Plotter Webcam Uma webcam é uma câmera de vídeo que captura e transfere imagens em tempo real para um computador ou uma rede de computadores. Este tipo de câmera é de menor

31 custo, pois possui baixo preço de produção. Apesar disso, sua qualidade de resolução pode ser muito satisfatória [22]. A webcam fixa utilizada é mostrada na Figura Figura 3.6: Webcam Multilaser WC046 [22]. Suas aplicações podem ser das mais diversas, desde videoconferências, vigilância de ambientes, até produção de vídeos e imagens. Ela se tornou tão popular que, basicamente, todos notebooks já as possuem acopladas de fábrica [23]. Na primeira etapa do projeto da aula prática remota, foi utilizada uma webcam externa fixa, que se conectava ao computador via cabo USB, para possibilitar a sua movimentação. Essa câmera foi utilizada para que a prática fosse visualizada, em tempo real, na sala de aula. A webcam, junto com o Arduino, precisam ser conectados a um computador localizado dentro do laboratório. Para a imagem da câmera ser vista e o IDE do Arduino ser manipulado, diretamente da sala de aula, foi utilizado o aplicativo TeamViewer, que será abordado na Seção TeamViewer O TeamViewer é um software para controle remoto que, dentro de algumas características, compartilha a área de trabalho da interface gráfica com o usuário de um sistema operacional, realiza transferência de arquivos entre computadores e faz conferência online. Ele está disponível para a maioria dos sistemas operacionais, tais como: Microsoft Windows, MacOS, Linux e Android. Também é possível acessar um computador utilizando o TeamViewer a partir de um navegador Web [24]. Cada console de gerenciamento do TeamViewer, que pode ser visto na Figura 3.7, possui um ID (Identity) fixo e uma senha aleatória que é alterada esporadicamente. É

32 17 através desse ID e dessa senha que um dispositivo pode controlar o outro, desde que os dois tenham seus consoles devidamente ativos. Também é possível criar uma senha fixa para um dispositivo poder acessar o outro sem se preocupar com a troca constante da senha aleatória. Desta forma, é possível controlar outro dispositivo em qualquer horário, local e distância. Figura 3.7: Console de gerenciamento do TeamViewer. O TeamViewer foi escolhido porque ele já havia sido testado e utilizado em projetos desenvolvidos anteriormente. Além disso, ele dispõe de características que aplicativos similares não possuem, como o compartilhamento da área de trabalho e audioconferência. Ele foi utilizado no projeto para que o computador localizado dentro da sala de aula pudesse visualizar a imagem da webcam e manipular o IDE do Arduino, conectados a um computador localizado dentro do laboratório. Além disso, é possível estabelecer uma comunicação via audioconferência pelo TeamViewer entre os dispositivos conectados, para que as pessoas dentro do laboratório possam interagir com as pessoas que estão na sala de aula. O uso do TeamViewer possibilita que a aula prática remota fique mais automatizada. Desta forma, o professor da disciplina pode manipular os equipamentos que estão no laboratório sem depender, completamente, de terceiras pessoas. Para realizar a aula utilizando o TeamViewer, no entanto, é necessário que ambos os computadores tenham uma boa conexão à Internet [25]. Por esta razão, foram realizados testes na rede wireless que seria utilizada. Estes testes estão explicitados a seguir.

33 Conexão Internet Não é possível dizer exatamente a quantidade de dados que o TeamViewer usará durante uma conexão, dado que isso depende muito das aplicações que serão utilizadas durante a mesma. Por exemplo, quais softwares estão sendo utilizados, ou, se está ocorrendo transferência de arquivos entre os computadores. No entanto, pode-se verificar a quantidade de dados que o TeamViewer está usando durante uma conexão específica, acessando a barra de ferramentas do controle remoto [25],[26]. Ao fazer uma conexão com TeamViewer, utilizando as ferramentas necessárias para a aula prática remota, foi possível notar que as taxas de download e de upload usadas eram em torno de 1 Mbps e 0,5 Mbps, respectivamente. Desta maneira, foram realizados testes na rede escolhida para conectar os computadores durante a aula prática remota, para verificar se ela estava dentro dos requisitos necessários. A UFF disponibiliza em todo o seu campus uma rede chamada de EduRoam (education roaming). O EduRoam é um serviço de acesso wireless seguro, desenvolvido para educação e pesquisa. Ele tem o intuito de prover conectividade à Internet a estudantes e pesquisadores dentro de suas universidades e de outras instituições parceiras [27]. Dessa forma, ela foi naturalmente escolhida como a primeira opção de conexão entre os computadores. Nos testes realizados, foram feitas medidas de potência e de vazão (throughput) em todo ambiente do LaDISan e na sala de aula onde a disciplina Saneamento Básico II é realizada. As medidas de potência foram feitas com o intuito de verificar o alcance da rede dentro dos dois ambientes, já que este fator varia bruscamente com obstáculos no caminho e com o tipo de antena do ponto de acesso [25],[28]. As medidas de vazão (throughput) tem como objetivo medir a taxa de transferência de rede. Essa taxa, é a taxa de entrega de mensagens bem sucedidas através do canal de comunicação [25]. Essas medições foram realizadas sem um extremo rigor matemático, a fim de verificar se seria viável a conexão do TeamViewer entre os computadores. Para medir a potência, foi utilizado o aplicativo WiFiAnalyzer, Versão O

34 19 aplicativo tem como função utilizar um smartphone como um analisador de Wi-Fi [25]. Para medir vazão foi utilizado o aplicativo SpeedTest, Versão A função do aplicativo é realizar testes de conexão, medindo as taxas de download e de upload. Foram realizadas 30 medições de potência e de vazão, 15 no laboratório e 15 na sala de aula. As medidas, realizadas em aparelhos celulares, foram obtidas com cópias de tela para cada resultado. As medições, assim como o resultado do cálculo de suas médias e seus desvios padrões, estão apresentados nas Tabelas 3.1 e 3.2. Com os resultados obtidos na manipulação dos dados coletados, foi possível perceber que a rede EduRoam cobre as taxas de download e upload que o TeamViewer utiliza durante a conexão específica para a realização da aula prática remota. Além disso, a rede apresenta um ótimo alcance dentro dos dois ambientes e isso pode ser observado pelos valores coletados de potência no LaDISan e na sala de aula. LaDISan Medições Potência (dbm) Download (Mbps) Upload (Mbps) ,9 22, , ,8 21, ,9 30, ,3 28, ,4 24, ,4 41, , ,0 30, , ,2 35, ,8 22, ,5 41, ,4 37, ,2 31,2 Médias -47,73 19,43 30,77 Desvios Padrões 2,34 4,03 6,37 Tabela 3.1: Tabela de medições no LaDISan.

35 20 Sala de aula Medições Potência (dbm) Download (Mbps) Upload (Mbps) ,33 11, ,78 11, ,94 8, ,63 1, ,70 1, ,15 1, ,57 1, ,80 1, ,61 1, ,93 1, ,35 3, ,45 0, ,61 6, ,49 4, ,66 4,05 Médias -57 1,74 4,05 Desvios Padrões 3,40 1,46 3,74 Tabela 3.2: Tabela de medições na sala de aula. 3.2 Primeira aula prática remota realizada Uma vez que todas as soluções, citadas na Seção 3.1, foram incorporadas ao experimento prático de bacia de detenção, foi possível realizar um teste real da aula remota na disciplina de Saneamento Básico II Preparação da aula Foram realizados diversos testes da aula com as ferramentas e softwares agregados ao projeto. Durante a realização da experiência da aula prática da disciplina há interesse que sejam apresentados gráficos relativos às medições e que os valores numéricos medidos sejam armazenados em arquivos, para manipulação futura (elaboração de relatórios e reprodução dos gráficos visualizados durante a aula prática). Na versão atual do IDE do Arduino, o Serial Monitor e o Serial Plotter não

36 21 podem ser executadas ao mesmo tempo. Assim, não seria possível apresentar os gráficos e os valores numéricos, em tempo real, simultaneamente. Dado que foi considerado que mostrar os gráficos em tempo real era mais importante do que os valores, o Serial Plotter foi escolhido para ser exibido durante a aula. Porém, ao se utilizar o Serial Plotter, não há como armazenar os valores numéricos. Por esta razão, todos os três tipos de hidrogramas que são simulados na aula prática foram reproduzidos em um experimento no laboratório, utilizando o Serial Monitor, antes da realização efetiva da aula prática remota, para armazenar os valores. Esses três tipos de hidrogramas, como já citado na Seção 2.3.1, são: Assimétrico, com fase de avanço rápida e fase de recessão longa; Simétrico, com as fases de avanço e de recessão ocorrendo em tempos iguais, e; Assimétrico, com fase de avanço lenta e fase de recessão rápida. Para produzir esses três tipos de hidrogramas, o controle da válvula de água foi anteriormente planejado por meio de uma Tabela Vazão x Tempo. A tabela informava as vazões que deveriam ser alcançadas em cada período de tempo, para se obter as curvas desejadas Execução da aula A primeira aula prática remota efetiva foi realizada no dia 20 de setembro de A turma, neste dia, contava com cerca de 40 alunos presentes. Além do professor Dario, do professor Alexandre e das autoras deste trabalho, o grupo PET-Tele [29] auxiliou na realização da aula. O primeiro passo para a aula foi montar e testar toda a sua infraestrutura. Um notebook foi posicionado dentro do laboratório, com o Arduino e a webcam conectados a ele. Um segundo notebook foi posicionado dentro da sala de aula. Em ambos, estava instalado o aplicativo de compartilhamento e de controle TeamViewer. Os computadores foram ligados em rede pelo sistema EduRoam-UFF. A tela do notebook localizado dentro do laboratório foi organizada da seguinte forma: de um lado a imagem da webcam e do outro lado o IDE do Arduino, e, quando iniciado o experimento, o Serial Plotter para mostrar a geração dinâmica das curvas do gráfico.

37 22 As autoras e o professor Alexandre ficaram posicionados dentro do laboratório para monitorar o notebook, movimentar a webcam se necessário, e controlar o registro geral da planta do experimento. Dois alunos do grupo PET-Tele ficaram dentro da sala de aula, para auxiliar o professor Dario. Na primeira metade da aula, o professor Dario apresentou a parte teórica do assunto. Quando finalizada a teoria da matéria, ele acessou o notebook do laboratório pelo TeamViewer, a partir do notebook localizado na sala de aula. A imagem vista na tela do notebook da sala de aula, pode ser vista na Figura 3.8 Figura 3.8: Imagem vista na tela do notebook localizado na sala de aula. Por meio da interação de áudio, ele orientou uma das alunas para controlar o registro geral da planta no laboratório, enquanto a outra aluna movimentava a webcam para mostrar as partes da planta mais importantes de serem vistas a cada etapa do experimento. Esse cenário pode ser visualizado na Figura 3.9. Figura 3.9: Cenário do laboratório durante a primeira aula prática remota.

38 23 Os três tipos de hidrogramas foram realizados durante a aula prática remota. O gráfico da Figura 3.10 é referente ao hidrograma assimétrico com fase de avanço rápida e fase de recessão longa. Figura 3.10: Hidrograma assimétrico, com fase de avanço rápida e fase de recessão longa. Toda a operação foi acompanhada pela turma por meio da projeção em um telão existente na sala de aula. A imagem vista pela turma no telão era exatamente a mesma vista na tela do computador, porém com uma pior resolução Recepção da turma A aula prática remota tem como objetivo contornar o problema da relação entre o pequeno espaço físico do laboratório e a grande quantidade de alunos por turma. Porém, não havia razões para prosseguir com o projeto se não houvesse uma boa aceitação por parte dos alunos. Por este motivo, um formulário foi criado para saber a opinião da turma sobre a aula realizada. Ele foi feito no aplicativo Google Forms, ferramenta da Google que permite criar formulários online, de forma rápida e simples [30]. O formulário não só mostra a receptividade da turma, como, também, indica os pontos a serem melhorados para as aulas serem cada vez mais pertinentes para os alunos. Nele foram incluídas perguntas desde sobre a qualidade da câmera e a qualidade do gráfico até o entendimento da prática e a assimilação da teoria da disciplina. Nessa primeira aula prática remota realizada, estavam presentes cerca de 40 alunos.

39 24 As autoras e os professores orientaram a todos que preenchessem o formulário. Porém, embora todos os alunos tenham recebido uma mensagem, via , com orientações de como preenchê-lo, apenas 22 alunos o fizeram. Isso significa que somente metade da turma respondeu o formulário. As primeiras perguntas do formulário tinham relação com já ter estado presencialmente no LaDISan e já ter assistido ao experimento presencialmente. Todos os alunos já haviam feito ambos. O que significa que todos já tinham conhecimento do espaço físico do local e das dificuldades de assistir ao experimento em um local que não acomoda a toda turma. As perguntas subsequentes tinham relação com a qualidade do vídeo e qualidade do gráfico. Como pode ser visto nos gráficos apresentados na Figura 3.11, a grande maioria da turma achou a qualidade do vídeo e do gráfico boas, apesar da piora da resolução da imagem do computador ao ser transferida para o telão pelo projetor. Figura 3.11: Perguntas e respostas referentes à qualidade do vídeo e à do gráfico. Uma pergunta foi feita para saber o que poderia ser melhorado na qualidade do vídeo. Cinquenta por cento da turma sugeriu uma melhoria da resolução, seguido por cerca de quarenta por cento sugerindo melhoria no travamento e no delay do vídeo. Também houve, ainda que poucas, recomendações para aperfeiçoar o áudio da transmissão e aprimorar o tipo de câmera utilizada. A próxima pergunta tinha o intuito de saber se os alunos conseguiram visualizar com detalhe o que estava acontecendo no laboratório, como, por exemplo, ver a água passando de um galão para o outro. A Figura 3.12 mostra que a maioria dos alunos achou

40 25 a visualização boa. Figura 3.12: Pergunta e respostas referentes à visualização do laboratório. As perguntas posteriores tinham o objetivo de saber se a turma havia compreendido a prática em questão e se ela havia ajudado a complementar a teoria da disciplina. As perguntas não tinham relação com a qualidade de imagem e, sim, com o entendimento da matéria. Como pode ser visto na Figura 3.13, a grande maioria da turma conseguiu entender muito bem a experiência. Já em relação a ajudar a teoria da disciplina, alguns alunos não acharam tão satisfatório, mas a maioria das respostas continuaram positivas. Figura 3.13: Perguntas e respostas referentes à compreensão da prática e da teoria. Havia uma pergunta destinada aos alunos que nunca tinham estado no LaDISan, para saber se eles achavam que a aula prática remota era um bom primeiro contato com o experimento. Porém, como não havia alguém na turma nessa situação, não foi possível obter uma resposta útil para a pergunta.

41 26 As últimas perguntas tratavam diretamente da aprovação da aula pela turma. Para saber se eles achavam a aula uma boa solução para o problema de espaço físico do laboratório e para saber se eles gostariam de ter outra aula experimental via vídeo. A Figura 3.14 mostra que mais de oitenta e cinco por cento dos alunos que responderam ao formulário, se mostraram favorável a aula prática remota. Figura 3.14: Respostas diretamente referentes à aprovação da aula. Por fim, havia uma opção para os alunos acrescentarem sua opinião ou sugestão, de forma anônima, sobre a aula. Os comentários foram pertinentes com o resultado das demais perguntas do formulário e com o objetivo da aula. Seguem algumas das observações. A aula foi bastante produtiva e dinâmica. Professor conseguiu explicar o experimento com as imagens e eu consegui entender completamente as três diferentes formas apresentadas. Muito obrigada! Por já ter trabalhado em laboratório, acredito que a experiência profissional seja obrigatória. Porém, com os problemas apresentados, vídeos podem vir a ser uma alternativa viável. Bela iniciativa para a turma (que é grande) para assistir os experimentos sem ficar um em cima do outro lá no laboratório. Seria bom se a câmera pudesse acompanhar o experimento e que não fosse fixa em apenas um lugar.

42 27 Analisando todas as perguntas e os comentários dos alunos, percebe-se que houve uma grande aceitação por parte deles a essa primeira aula prática remota realizada em sala. Isso estimulou a continuação do projeto para disponibilizar mais uma ferramenta de apoio ao aprendizado, possibilitando que todos os alunos acompanhem juntamente e confortavelmente uma experiência prática. 3.3 Problemas enfrentados Essa primeira etapa do projeto, apesar de bem sucedida, apresentou alguns problemas que são expostos a seguir. O primeiro problema enfrentado foi em relação à redução da qualidade, ao travamento e ao delay do vídeo no computador da sala de aula devido ao acesso remoto do TeamViewer, utilizando a rede EduRoam. Podia ser observado, claramente, que a imagem vista no notebook localizado no laboratório era superior, em todos esses fatores, à qualidade da imagem vista no notebook da sala de aula. No TeamViewer, há a possibilidade de otimizar a velocidade de transmissão, otimizar a qualidade de imagem ou optar por uma seleção automática. Durantes os testes realizados antes da aula efetiva, percebeu-se que, apesar de apresentar problemas, a melhor opção era a seleção automática. Isso porque, ao selecionar a opção de otimização de imagem, a velocidade da transmissão diminuía bruscamente, impossibilitando visualizar a prática em tempo real. E, ao selecionar a opção de otimização de velocidade, se tornava impercebível ver os detalhes visuais do que estava acontecendo no laboratório. Outra situação que diminuiu a qualidade da imagem foi a projeção da imagem do notebook no telão. Isso ocorreu, pois a resolução do projetor utilizado, que usava conexão VGA (Video Graphics Array), era consideravelmente menor do que a resolução do sinal enviado para ele. Mais um fator de qualidade de imagem foi a nitidez da câmera utilizada. A webcam apresenta uma resolução razoavelmente satisfatória, porém, somada a todos os outros fatores que diminuíam mais ainda a qualidade da imagem, viu-se que era necessária uma câmera de maior resolução. Uma outra complicação, em relação a webcam fixa, foi o fato dela ser conectada ao computador por um cabo USB e não ser automatizada para se movimentar remotamente.

43 28 Isso quer dizer que era preciso, obrigatoriamente, que uma pessoa a movimentasse, ficando limitada ao tamanho do cabo USB, o que, além de fazer a experiência ficar mais dependente de terceiros, deixava a imagem da câmera instável. Mais um problema foi a necessidade de uma pessoa para manipular o registro geral da planta do laboratório. Essa situação, não afeta significativamente o resultado do experimento, mas ela impede, junto com a necessidade de uma pessoa para movimentar a webcam, que a aula prática remota seja completamente automatizada, de modo que não seja necessário alguém, além do professor em sala de aula, para aplicá-la. Um problema que já foi citado na Seção 3.2.1, foi em relação ao fato do IDE do Arduino não possibilitar mostrar os gráficos e os valores numéricos em tempo real simultaneamente, já que ele não permite a execução do Serial Plotter e do Serial Monitor ao mesmo tempo. Isso afetou a aula, porque os alunos conseguiam visualizar o gráfico, mas não conseguiam ver os valores numéricos. Além disso, como foi escolhido mostrar os gráficos durante a aula, os valores não podiam ser armazenados, o que tornou necessário a realização do experimento antes da aula efetiva para armazenamento dos valores. Durante a primeira aula prática remota em sala, ocorreu uma complicação que não havia ocorrido em nenhum dos testes realizados previamente. A audioconferência nativa do TeamViewer não funcionou para ambos os lados. Quem estava no laboratório conseguia ouvir quem estava na sala de aula, porém, quem estava na sala de aula não conseguia ouvir quem estava no laboratório. Deste modo, foi necessário a utilização de celulares para estabelecer uma comunicação de áudio. Num momento posterior, foi descoberto que o problema foi causado pela conversão entre padrões de interface utilizados para conectar o computador ao projetor. Uma descrição mais detalhada deste problema e sua solução, estão detalhadas na Seção Uma última consideração, que pode ser vista como um contratempo, é a de que a não adesão por toda a turma na resposta ao formulário, pode ter prejudicado a avaliação da aceitação à aula. Diante dos problemas relatados, foi realizada uma segunda etapa do projeto, a fim de tentar solucioná-los. A intenção dela foi automatizar a aula ainda mais, para o professor Dario não depender de terceiros e prover uma experiência ainda melhor para os alunos.

44 Capítulo 4 Segunda etapa do projeto Após a execução da primeira aula remota, foi possível perceber que o projeto podia ser melhorado, tanto para os alunos quanto para o professor. Por esse motivo, novas soluções foram incorporadas ao projeto, tais como: uma segunda câmera, com movimento e melhor qualidade e resolução de imagem, uma ferramenta mais eficiente para a visualização simultânea dos valores adquiridos e dos gráficos, além do aperfeiçoamento na audioconferência. Este capítulo apresenta essas novas soluções implementadas, assim como o relato da segunda aula prática remota realizada na disciplina e os respectivos problemas enfrentados nessa segunda experiência, similarmente ao capítulo três. 4.1 Soluções implementadas Câmera IP Uma webcam, geralmente, é conectada por um cabo USB, ou cabo similar, ou incorporada em hardware de computador. Ao contrário disso, uma câmera IP pode ser acessada e controlada via qualquer rede IP [25], como a Internet. Além disso, uma câmera IP possui uma qualidade de resolução muito superior a da webcam, e um preço similar, dependendo da marca. A Figura 4.1 mostra a câmera adicionada nessa etapa do projeto. Utilizando um aplicativo próprio da câmera ou um navegador Web e tendo conexão de alta velocidade com a Internet é possível acessar ao vídeo da câmera de qualquer lugar e por qualquer aparelho (tais como celular e notebook).

45 30 Figura 4.1: Câmera Wireless IP [31]. Uma câmera IP atual é compatível com as tecnologias Ethernet e Wi-Fi e possui diversas funções. Dentro dessas estão: controle e rotação da câmera, habilitação de áudio e luz infravermelha para uso noturno. Suas aplicações são das mais diversas, desde de segurança (vigilância de ambientes), acessibilidade e automatização [31]. Para a segunda etapa do projeto da aula prática remota, foi utilizada uma câmera IP da marca Jortan com resolução HD [32]. Essa câmera foi escolhida porque ela não precisa ser movimentada manualmente, além de não estar conectada a um computador via cabo, diferentemente da webcam utilizada na primeira etapa. Isso faz com que a movimentação e a estabilidade da imagem da câmera aumentem, além da automatização da aula, pois a câmera não está presa perto do computador e não necessita de uma pessoa para movimentá-la. A câmera IP Jortan possui um aplicativo próprio para o celular (YYP2P versão ) e um outro para o computador (CMSClient). Para utilizar a câmera na tecnologia Wi-Fi, foi necessário configurá-la com o aplicativo para celular. Na aula prática, o aplicativo para computador foi utilizado ViewDuino O ViewDuino é um aplicativo para computadores, que possui uma interface gráfica com o usuário, capaz de receber dados provenientes da comunicação serial do Arduino. Essa ferramenta foi elaborada na linguagem de programação Python [33], na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e está disponível para download gratuito [34]. O Viewduino tem diversas funcionalidades, tais como: mostrar valores e curvas de um gráfico em tempo real, fazer o ajuste de uma reta, fazer histogramas e criar tabelas

46 31 para armazenamento de dados. A utilização é simples. Basta programar o Arduino pelo seu IDE próprio e, depois, configurar o ViewDuino para a porta USB na qual o Arduino está conectado. A única restrição é que os dados devem ser configurados para serem enviados separados por ponto e vírgula ( ; ). Além disso, o ViewDuino atribui a primeira coluna ao instante que recebeu os dados, desta forma, não é necessário enviar uma coluna com essa informação, a não ser que o usuário considere necessário. O ViewDuino foi adicionado nessa etapa do projeto como uma solução para o problema enfrentado no IDE do Arduino, que não permite a execução simultânea do Serial Monitor e do Serial Plotter, tornando-o incapaz de apresentar gráficos e valores numéricos, em tempo real. Este problema, prejudicou a primeira aula prática remota realizada, já que durante a realização da experiência, há o interesse que sejam apresentados gráficos relativos às medições e que os valores numéricos medidos sejam armazenados em arquivos, para manipulação futura. A sua interface gráfica é de fácil utilização e pode ser vista na Figura 4.2. Figura 4.2: Interface gráfica do ViewDuino Melhorias de audioconferência Como citado na Seção 3.3, sobre os problemas enfrentados na primeira etapa do projeto, durante a primeira aula prática remota em sala, ocorreu uma complicação que

47 32 não havia ocorrido em nenhum dos testes realizados previamente. A audioconferência nativa do TeamViewer não funcionou para ambos os lados. Quem estava no laboratório conseguia ouvir quem estava na sala de aula, porém, quem estava na sala de aula não conseguia ouvir quem estava no laboratório. O que ocasionou este problema foi o fato do computador utilizado só oferecer uma conexão do tipo HDMI (High-Definition Multimedia Interface) e o projetor só oferecer uma conexão do tipo VGA (Video Graphics Array). Foi necessário utilizar um conversor HDMI-VGA para realizar a transmissão entre o computador e o projetor. O VGA é um padrão de vídeo que opera em modo analógico e permite que imagens sejam transmitidas em tempo real de um computador para um monitor ou um projetor que tenha essa saída. Porém, este padrão só transmite imagens [35]. A tecnologia HDMI é uma interface capaz de transmitir áudio e vídeo. Ela trabalha em modo digital e é uma evolução dos padrões analógicos, como o VGA. O HDMI substitui a necessidade de vários cabos para conectar os sinais de áudio e vídeo de um aparelho a outro. Apenas um único cabo e conector fazem todas as ligações necessárias [36]. Ao se utilizar o conversor HDMI-VGA, o computador que possui uma saída HDMI transmite dados de vídeo e de som. Porém, o projetor com entrada VGA recebe apenas os dados de imagem. Por esta razão, não se pode ouvir o som nem no computador, nem no projetor. Há algumas maneiras de se corrigir esse problema. Uma delas é utilizar um projetor mais moderno com entrada HDMI. Porém, como o projetor utilizado nas aulas é oferecido pela universidade, essa não era uma opção viável para o projeto. Outra opção, que foi a utilizada nessa segunda etapa do projeto, é configurar o som do notebook para não transmitir o áudio pela conexão HDMI, e, sim, externalizar o áudio na caixa de som própria do computador. Para melhorar a qualidade do som para a turma, optou-se por inserir uma caixa de som externa de maior potência do que a incorporada ao notebook. 4.2 Segunda aula prática remota realizada Uma vez que todas as soluções, citadas na Seção 4.1, foram incorporadas para melhorar a aula prática remota, foi possível realizar um segundo teste real na disciplina

48 33 de Saneamento Básico II Preparação da aula As ferramentas descritas na Seção 4.1, necessitavam de instalação e de algum entendimento básico para a sua utilização. No caso do ViewDuino, para ele ser executado, o primeiro passo foi a instalação do interpretador Python, já que o mesmo foi elaborado nesta linguagem de programação. Essa linguagem de programação é de alto nível e código aberto [33]. Para o funcionamento do ViewDuino, também foram instalados pacotes não inclusos no download do interpretador. No caso da câmera IP, foi necessário instalar os seus aplicativos próprios para o celular e para o computador. Para utilizar a câmera na tecnologia Wi-Fi, foi necessário configurá-la com o aplicativo para celular. Para só assim, utilizar na aula prática remota, o aplicativo do computador. Foram realizados diversos testes para a execução da segunda aula utilizando as ferramentas já existente e as novas agregadas ao projeto. Os testes realizados com o ViewDuino funcionaram perfeitamente. Foram eles: a visualização dos valores numéricos, similarmente ao que foi feito com o Serial Monitor, a geração de uma tabela com esses valores, que podia ser armazenada ao fim do experimento, e a geração dinâmica das curvas de hidrograma de entrada, intermediária e de saída, similarmente ao que foi feito com o Serial Plotter. Todos esses testes foram realizados simultaneamente, como desejado. Os testes realizados com a câmera IP, funcionaram conforme o esperado até certo momento. A câmera parou de aceitar a configuração Wi-Fi no teste final antes da aula, o que obrigou a utilização da tecnologia Ethernet, no dia da aula efetiva. Para evitar que a câmera precisasse ficar perto do computador, foi utilizado um cabo de rede de grande comprimento Execução da aula A segunda aula prática remota efetiva foi realizada no dia 18 de abril de Ela foi exatamente a mesma aula que foi dada no segundo semestre de A única mudança foram as novas ferramentas implementadas nessa segunda etapa do projeto.

49 34 A turma, neste dia, contava com cerca de 25 alunos presentes. Ale m do professor Dario, do professor Alexandre e das autoras do trabalho, um monitor do LaDISan auxiliou na realizac a o da aula. O primeiro passo para a aula foi montar e testar toda a sua infraestrutura no seu inı cio. Um notebook foi posicionado dentro do laborato rio, com o Arduino, a webcam e a ca mera IP conectados a ele, ale m de possuir o aplicativo ViewDuino instalado. Optou-se por utilizar a webcam novamente, para complementar a visualizac a o da planta dida tica. A ca mera IP foi posicionada em um local onde toda a configurac a o do experimento pudesse ser vista e a webcam ficou posicionada em outro a ngulo de frente para o experimento. Um segundo notebook foi posicionado dentro da sala de aula. Em ambos, estava instalado o aplicativo de compartilhamento e de controle TeamViewer. Os computadores foram ligados em rede pelo sistema EduRoam-UFF. A tela do notebook localizado dentro do laborato rio foi organizada da seguinte forma: de um lado, as imagens da ca mera IP e da webcam, e, do outro lado, o ViewDuino mostrando os valores nume ricos e a gerac a o dina mica dos gra ficos, simultaneamente. Um exemplo da tela apresentada pode ser visualizado na Figura 4.3. Figura 4.3: Imagem vista na tela do notebook localizado no laborato rio. As autoras e o professor Alexandre, ficaram posicionados dentro do laborato rio para monitorar o notebook e controlar o registro geral da planta do experimento. O monitor do LaDISan ficou dentro da sala de aula, para auxiliar o professor Dario.

50 35 Na primeira metade da aula, o professor Dario apresentou a parte teórica do assunto. Ao finalizar a teoria da matéria, ele acessou o notebook do laboratório pelo Team- Viewer, a partir do notebook localizado na sala de aula. Por meio da interação de áudio, proporcionada pelo TeamViewer, ele orientou uma das alunas para controlar o registro geral da planta no laboratório, enquanto a outra aluna monitorava o notebook. Esse cenário pode ser visualizado na Figura 4.4. Figura 4.4: Cenário do laboratório durante a segunda aula prática remota. Assim como na primeira aula prática remota, os três tipos de hidrogramas desejados foram realizados nessa aula. As Figuras 4.5, 4.6 e 4.7 mostram os três hidrogramas. Figura 4.5: Hidrograma simétrico: avanço e recessão ocorrendo em tempos iguais.

51 36. Figura 4.6: Hidrograma assimétrico: avanço rápido e recessão longa. Figura 4.7: Hidrograma assimétrico: avanço lento e recessão rápida.

52 37 Toda a operação foi acompanhada pela turma por meio da projeção no telão existente na sala de aula. A imagem vista pela turma era exatamente a mesma vista na tela do computador, porém com uma pior resolução. A Figura 4.8 mostra o professor Dario realizando explicações sobre o experimento durante a realização da prática, na sala de aula. A Figura 4.9 apresenta os autores e os alunos presentes, após o término da aula. Figura 4.8: Cenário da sala de aula durante a segunda aula prática remota. Figura 4.9: Os autores e os alunos presentes, após o término da aula.

53 Recepção da turma O mesmo formulário utilizado na primeira aula foi passado à turma, nessa segunda etapa, para saber a opinião dos alunos e ter ideia da receptividade à aula, como, também, os pontos a serem melhorados. Além disso, desejava-se comparar, posteriormente, as respostas adquiridas nessa nova pesquisa com as respostas da primeira. Nessa segunda aula prática remota realizada, cerca de 25 alunos assistiram a aula e 20 alunos aderiram ao formulário. As primeiras perguntas do formulário tinham relação com já ter estado presencialmente no LaDISan e já ter assistido ao experimento presencialmente. Metade da turma já conhecia o laboratório, porém somente vinte por cento assistiu a experiência presencialmente no LaDISan. As perguntas subsequentes tinham relação com a qualidade do vídeo e a qualidade do gráfico. Como pode ser visto nos gráficos apresentados na Figura 4.10, a grande maioria da turma achou a qualidade do vídeo e a do gráfico muito boas ou boas. Figura 4.10: Perguntas e respostas referentes à qualidade do vídeo e à do gráfico. Uma pergunta foi feita para saber o que poderia ser melhorado na qualidade do vídeo. Cerca de cinquenta por cento da turma sugeriu uma melhoria da resolução, do travamento e do delay. A próxima pergunta tinha o intuito de saber se os alunos conseguiram visualizar com detalhe o que estava acontecendo no laboratório, como, por exemplo, ver a água passando de um galão para o outro. A Figura 4.11 mostra que a metade dos alunos achou a visualização boa ou muito boa.

54 39 Figura 4.11: Pergunta e respostas referentes à visualização do laboratório. As perguntas posteriores tinham o objetivo de saber se a turma havia compreendido a prática em questão e se ela havia ajudado a complementar a teoria da disciplina. As perguntas não tinham relação com a qualidade de imagem e, sim, com o entendimento da matéria. Como pode ser visto na Figura 4.12, a grande maioria da turma conseguiu entender muito bem a experiência e achou que ela ajudou muito a entender a teoria da disciplina. Figura 4.12: Perguntas e respostas referentes à compreensão da prática e da teoria. Uma pergunta foi destinada aos alunos que nunca tinham estado no LaDISan, para saber se eles achavam que a aula prática remota era um bom primeiro contato com o experimento. Mais da metade dos alunos que responderam ao formulário e que nunca estiveram no laboratório, acharam que a aula experimental via vídeo foi um bom primeiro contato com o experimento.

55 40 As últimas perguntas tratavam diretamente da aprovação da aula remota pela turma. Para saber se eles achavam a aula remota uma boa solução para o problema de espaço físico do laboratório e para saber se eles gostariam de ter outra aula experimental via vídeo. Todos os alunos que já estiveram no LaDISan, acharam que a aula prática remota é uma boa solução para o problema de espaço. A Figura 4.13 mostra que noventa e cinco por cento dos alunos respondentes, mostraram-se favorável a aula prática remota. Figura 4.13: Respostas diretamente referentes à aprovação da aula. Por fim, havia uma opção para os alunos acrescentarem sua opinião ou sugestão, de forma anônima, sobre a aula. Os comentários foram pertinentes com o resultado das demais perguntas do formulário e com o objetivo da aula. Seguem algumas das observações. A aula por vídeo foi muito interessante, deu para ver o que acontecia claramente. Infelizmente houveram alguns travamentos mas fora isto tudo ok. O vídeo junto com o gráfico acabaram ficando muito pequenos pra um mesmo retroprojetor, acho que talvez uma água colorida ou o uso de dois retroprojetores seria de melhor visualização. Infelizmente a qualidade da Internet da Universidade não proporcionou a melhor experiência possível. Porém, a ideia é muito boa e cumpre seu objetivo. Muito bom para contornar o problema de espaco no laboratório. Pena que a