DOMÓTICA APLICADA AO USO EFICIENTE DA ÁGUA

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1 DOMÓTICA APLICADA AO USO EFICIENTE DA ÁGUA Gabriel Mendes Veiga Faculdade de Engenharia Elétrica CEATEC Resumo: Com as variações climáticas que vem acontecendo no país, certas regiões tem tido necessidade de fazer racionamento de água nas cidades, por período de tempo variado. Embora os reservatórios de água domiciliares estejam cheios, com o passar das horas, ou dias, sem reabastecimento pode ocorrer o esgotamento do recurso, caso não se tenha um uso racional do mesmo. Dentro deste quadro, acompanhar o uso da água, buscando estabelecer sempre a forma mais racional e necessária, em conformidade com o volume ainda disponível, pode ajudar o usuário a permanecer abastecido em períodos de racionamento. Este trabalho, desenvolvido na forma de iniciação científica, tem como objetivo apresentar um sistema de monitoração do uso da água com rede de sensores apoiada em plataforma livre. Busca-se gerir de forma eficiente e eficaz o uso da água em um dado ambiente seja esta uma residência ou mesmo uma escola ou pequena empresa. Para tanto, foi construído um protótipo apoiado em um sistema de comunicação com base em Rede de Sensores Sem Fio - RSSF, sensores e plataforma de monitoração. Como saída do sistema desenvolveu-se uma interface tipo Interface Homem Máquina IHM, que permite aos usuários uma visão clara do quanto dispõe de água em seus reservatórios, ajudando-os a administrar este recurso de forma continua e efetua-la principalmente nos períodos de escassez. Palavras-chave: Rede de sensores sem fio, Interface homem-máquina, Monitoramento do nível de água. Área do Conhecimento: 03 - Engenharias telecomunicações. 1. INTRODUÇÃO Com o avanço da tecnologia e a busca do homem por inovações que proporcionassem uma melhoria em sua qualidade de vida, a automação residencial, também conhecida como domótica, surge com o objetivo de prover maior conforto e domínio em seu ambiente residencial. Além de oferecer redução nos David Bianchini Sistemas de Telecomunicações Gestão de Redes e Serviços CEATEC davidb@puc-campinas.edu.br trabalhos domésticos, maior segurança e bem estar dos moradores que nela residem a domótica demonstra grande utilidade na monitoração e racionalização dos meios de consumo deste ambiente, como por exemplo, a energia elétrica e a água. Neste cenário se evidencia a contribuição cada vez maior das Redes de Sensores Sem Fio RSSF (WSN - Wireless Sensor Network) que por se apresentar de maneira onipresente são denominadas de Redes Ubíquas (USN Ubiquitous Sensor Network) [1]. Dentro da presença das RSSF na automação residencial, aumenta o interesse da monitoração de todos os elementos que sejam importantes na qualidade de vida, dentre elas o uso racional da água onde quer que ela se encontre. Apesar de nosso planeta ser coberto por 75% de água, 97,3% deste gigantesco volume são compostos de água salgada, água de mares e oceanos. A água doce representa apenas 2,7%, sendo que 68,9% deste valor se encontram nas calotas polares e 29,9% em água subterrânea. Desta forma, apenas 0,3% de água doce estão presentes em rios, lagos e reservatórios para o consumo humano, de animais e vegetais. O restante da água doce está na biomassa e na atmosfera em forma de vapor [2]. De acordo com a Organização das Nações Unidas (ONU), cada pessoa necessita de aproximadamente 110 litros de água por dia para realizar suas necessidades de consumo e higiene, entretanto, no Brasil, este consumo pode ultrapassar os 200 litros por dia. Diante disso, o Brasil, possuidor entre 12% e 14% da água do planeta, envida esforços governamentais importantes para mostrar aos cidadãos a sua responsabilidade do uso da água [3], buscando dentre outros objetivos criar um consumidor consciente [4]. Atualmente, a crise hídrica em importantes bacias hidrográficas brasileiras expôs as consequências do uso abusivo deste recurso natural. Rios caudalosos reduzidos a pequenos cursos de água

2 em partes dos seus trechos, enormes reservatórios, responsáveis por abastecer alguns dos principais centros urbanos do país, próximos de se esgotarem, revelam mais que condições adversas do tempo, provenientes de níveis de chuvas abaixo das médias históricas. A diversidade de demandas crescentes pelos recursos hídricos, advindas do consumo e da atividade humana (agricultura, indústria, geração de energia, etc.) acrescida das limitações naturais dos ambientes, levaram a questão da crise hídrica para o centro da pauta de estratégias de desenvolvimento no país [5]. Dentro deste quadro este trabalho de Iniciação Científica procurou desenvolver um sistema de monitoração que possibilite capturar a vazão da água de um reservatório e informar sua disponibilidade em tempo real ao usuário. Busca-se proporcionar assim, condições para uso racional da água em ambientes específicos, como por exemplo, residências, escolas ou pequenas empresas, principalmente em períodos de estiagem, quando sua falta produz o racionamento da mesma. Com a utilização da plataforma livre Radiuino [6] para integração da RSSF e o software ScadaBR [7] para supervisionamento do mesmo, esta pesquisa busca responder a seguinte questão: É possível elaborar um sistema de monitoração da vazão da água que capture o funcionamento do reservatório e informe sua disponibilidade em tempo real ao consumidor, permitindo a ele gerir eficientemente este recurso? O estudo de questões desta natureza se deve ao fato de que as redes ubíquas estão cada vez mais presentes nas soluções de captura de dados com vista à estruturação das cidades digitais e inteligentes, podendo alimentar sistemas de planejamento de infraestruturas urbanas, no sentido de prover este recurso de forma cada vez mais eficiente. 2. SISTEMA DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL O sistema de automação residencial desenvolvido durante esta pesquisa busca monitorar a vazão de água de um reservatório e por meio de uma Rede de Sensores Sem Fio, enviar os dados obtidos pelo sensor a um sistema de supervisionamento. As informações poderão ser acessadas através de dispositivos, como por exemplo, computador pessoal ou Tablet. Este sistema permitirá ao usuário o gerenciamento correto de seu recurso, informando-o a quantidade de água presente no reservatório em tempo real, bem como um alerta sonoro avisando que o nível do mesmo se apresenta crítico. Dentro deste quadro procurou-se estabelecer alguns critérios para escolhas de hardware e software a serem empregados. Diante disso colocou-se que o projeto desenvolvido deveria ser apoiado em plataforma open-source e que apresentasse baixo custo de implementação, além de oferecer baixa complexidade durante sua elaboração e operação, uma vez que o projeto em questão deve ser utilizado em sua maioria, por pessoas que não apresentam conhecimento na área desta pesquisa. Diante destes pré-requisitos escolheu-se a plataforma Radiuino para o desenvolvimento desta RSSF e o software supervisório ScadaBR para monitoração da vazão de água no tempo. 2.1 Redes de sensores sem fio A plataforma aberta Radiuino por possibilitar a formação de uma Rede de Sensor Sem Fio (RSSF) e proporcionar maior proveito devido à sua associação com a plataforma Arduino, aparece como uma maneira eficaz para o desenvolvimento do sistema proposto durante esta pesquisa. Além de ser open-source, contempla hardware, firmware e software, e apresenta a mesma IDE (Integrated Development Environment ou Ambiente Integrado de Desenvolvimento) da plataforma Arduino, possibilitando o uso de todas as facilidades provenientes deste ambiente. A Figura 1 apresenta o diagrama em blocos da RSSF que fora utilizada durante a execução deste projeto, fazendo uso da plataforma Radiuino: Figura 1. Diagrama em blocos [8] Para a montagem desta RSSF foram empregados dois módulos RFBee. O RFBee é um módulo RF (Rádio Frequência) que permite a transmissão de dados sem fios de maneira fácil e flexível entre os dispositivos [9]. Um dos módulos estará interligado ao sensor, que capturará os dados do mesmo e os enviará através desta RSSF para o outro módulo, que estará ligado junto ao computador por meio de

3 uma porta serial (USB). A Figura 2 mostra o módulo RFBee: Para que o sensor efetuasse as medições de maneira eficaz, sem que as laterais do reservatório utilizado influenciassem nas medidas uma vez que o mesmo apresenta restrições a partir de um determinado ângulo, posicionou-se o mesmo no centro deste reservatório. A Figura 4 mostra como este sensor foi posicionado: Figura 2. Módulo RFBee [10] 2.2 Sensor Ultrassônico Devido ao requisito do projeto de se monitorar a vazão de água de forma prática e que não influenciasse na qualidade da água presente no reservatório, a solução encontrada foi à utilização de um sensor ultrassônico fixado no centro do reservatório. Assim, ao longo do tempo, o mesmo efetua medidas de profundidade em relação à superfície da água, que posteriormente, são utilizadas no cálculo da quantidade de água do reservatório. Após concretização deste cálculo, as informações obtidas são enviadas para o software de monitoramento e visualizadas pelo usuário. Dentro das opções de dispositivos encontradas para a solução deste problema, decidiu-se pelo uso do sensor HC-SR04 por apresentar baixo custo e consumo de energia, além de facilidade durante sua aplicação. O HC-SR04 é um sensor ultrassônico, também conhecido como sonar, que emite ondas sonoras de alta frequência para o ambiente e recebe a reflexão do mesmo, podendo assim, detectar objetos a distâncias de 2 a 400 cm. Neste projeto, o objetivo da utilização deste sensor foi medir a distância entre a superfície da água e sua posição. A Figura 3 exemplifica o funcionamento do mesmo, bem como a fórmula utilizada para o cálculo da distância: Figura 3. Funcionamento do sensor [11] Figura 4. Posicionamento do sensor ultrassônico [12] Para encontrar a distância citada anteriormente basta realizar a subtração da altura do reservatório (H) com a distância entre o sensor e a superfície (d). Com o valor obtido e conhecendo a geometria do reservatório a ser utilizado, torna-se possível, através do volume, calcular a água presente no reservatório em questão. 2.3 Software de monitoramento Para monitorar os dados advindos do sensor era imprescindível compatibilidade com a plataforma Radiuino. Assim, a partir desse pré-requisito, fez-se uso do software supervisório ScadaBR, que além de ser compatível com a plataforma em questão é um software livre de código aberto. O ScadaBR pode ser acessado através de um navegador de Internet, sendo preferencialmente, por recomendação do desenvolvedor, o Chrome ou o Firefox. A interface deste software é de fácil utilização e possibilita a visualização de gráficos, relatórios, estatísticas, configurações dos protocolos, alarmes, além de construções de telas tipo IHM Interface Homem Máquina e uma série de opções de configuração [13]. Durante a execução deste projeto utilizou-se a função de construção de interface tipo IHM, para visualização da quantidade de água disponível no reservatório, bem como, a de alarmes, onde o sistema informa (na tela de "Alarmes", no menu principal) toda vez que o valor de seu data point (variável) ficar abaixo de um limite mínimo préestabelecido, permitindo desta forma, informar ao

4 usuário que o nível de água de seu reservatório atingiu um estado crítico. 3. MONTAGEM DE UM PROTÓTIPO Para a realização de testes e verificação da validade do projeto como um todo fora montado um protótipo que permitisse simular, com máxima realidade, uma caixa de água presente em uma residência, ou ainda, em escolas ou pequenas empresas. Diante disso, desenvolveu-se uma placa de circuito impresso que permitisse acoplar tanto o sensor ultrassônico, responsável pela aquisição dos dados, quanto o módulo RFBee, que contempla a parte de RSSF do projeto e que envia estes dados para a base, que posteriormente serão visualizados através da interface desenvolvida, que será apresentada em seguida, através da Figura 7. Para esta placa ser fixada no reservatório de água foi necessário que a mesma fosse colocada dentro de uma caixa, permitindo, além disso, a proteção contra um eventual contato com a água deste reservatório. A Figura 5 exibe a caixa onde esta placa fora colocada junto com a fonte de alimentação da mesma: Figura 6. Protótipo monitorando o nível de água Visando facilitar a compreensão dos usuários, uma vez que grande parte dos mesmos não apresenta conhecimento na área de desenvolvimento deste projeto, elaborou-se uma interface através do ScadaBR que permitisse ao usuário verificar de forma simples e prática a quantidade de água disponível em seu reservatório, permitindo-o gerir da melhor forma possível o seu recurso. Para a elaboração desta interface utilizou-se um reservatório que representa uma caixa de água autêntica e que informa em tempo real sua disponibilidade. Os Led s interpretam o nível deste reservatório, podendo se apresentar em Estável, Moderado ou Crítico dependendo de sua disponibilidade, tendo em vista que estes indicadores de níveis são acionados apenas quando atingem uma faixa pré-determinada. A Figura 7 mostra a interface desenvolvida: Figura 5. Caixa com a placa de circuito impresso Para a realização dos testes utilizou-se uma caixa de 250 litros, com altura de 0,405m, largura de 0,655m e comprimento de 0,770m, que, juntamente com a RSSF e a interface elaborada para a execução deste projeto, permitiram o desenvolvimento de um protótipo que monitora a disponibilidade de água em tempo real do reservatório em questão. A Figura 6 ilustra o protótipo desenvolvido para este projeto: Figura 7. Interface desenvolvida ao usuário 4. VALIDAÇÃO DO PROJETO Visando analisar o comportamento do protótipo com intuito de verificar sua validade foram realizados dois testes, o primeiro quando ocorre vazão de água e o segundo entrada de água no

5 reservatório. Para realizar esta vazão/entrada de água fora utilizada uma bomba de água similar à de aquário, com potência de 11 Watts e vazão de 650L/h, que possibilitou a monitoração da quantidade presente no mesmo em ambos os testes. Deve ser levado em consideração que apesar da caixa de água utilizada durante os ensaios descritos anteriormente ter uma capacidade de 250 litros, utilizou-se apenas cerca de 2/7 de seu volume. Por esse motivo, observa-se que nos gráficos demonstrados a seguir, começam ou terminam próximos de 70 litros. O Gráfico 1 ilustra os dados obtidos no primeiro teste, com a vazão de água em um determinado intervalo de tempo: Gráfico 1. Disponibilidade de água com a vazão no tempo Posteriormente, com objetivo de constatar o desempenho do protótipo na entrada de água, fora realizado o segundo teste. O Gráfico 2 exibe os dados obtidos com a entrada de água em um intervalo de tempo: Gráfico 2. Disponibilidade com a entrada de água no tempo Diante dos experimentos realizados e dados obtidos observou-se que o protótipo desenvolvido atendeu as expectativas, uma vez que tanto na entrada e na vazão de água do reservatório, o sensor ultrassônico obteve êxito em detectar a variação de nível decorrente desta vazão/entrada. Como esta vazão/entrada de água é constante devido à utilização da bomba de água, percebe-se que as medidas realizadas pelo sensor apresentam coerência, visto que os Gráficos 1 e 2, apresentados anteriormente, exibem linearidade negativa e positiva respectivamente, devido ao teste executado. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Dentro do escopo deste projeto, em que se buscou desenvolver um protótipo que monitorasse a quantidade de água em um reservatório, sendo que o mesmo deveria ser apoiado em plataforma open-source e que a interface desenvolvida deveria apresentar fácil utilização e compreensão ao usuário, pode-se concluir que o objetivo em questão foi alcançado. Realizando uma análise do trabalho produzido, percebeu-se que a busca de respostas para o encaminhamento do projeto proporcionou aspectos significativos no aprendizado, proporcionando também o rompimento do paradigma professoraluno. Com intuito de aprimorar este projeto, visando uma continuidade do mesmo, pode-se acrescentar o monitoramento do consumo diário, semanal ou até mesmo mensal de uma residência, escola ou micro empresa, por exemplo. Ou ainda, dependendo do interesse do usuário, disponibilizar através de relatórios específicos o consumo de vários meses ou ao ano. Para isso seria necessário à utilização de um sensor de fluxo de água acoplado na saída da caixa de água, desta forma, tornaria possível o acompanhamento da vazão de água e, consequentemente, do consumo no ambiente analisado. AGRADECIMENTOS Os agradecimentos para o Prof. Dr. Omar Branquinho como especialista na plataforma Radiuino e ao Prof. Dr. David Bianchini, pela orientação durante o desenvolvimento desta pesquisa. REFERÊNCIAS [1] PEREIRA, M. R.; DE AMORIN, C.L; DE CASTRO, M. C. S. Tutorial sobre rede de sensores. Cadernos do IME Capturado online em

6 05/03/2014 de < >. [2] SABESP. Sustentabilidade - Programa de Uso Racional da Água. Capturado online em 13/03/2015 de < ustentabilidade/uso%20racional%20da%20%c3% 81gua_Jos%C3%A9%20Maur%C3%ADcio%20da %20Fonseca%20Maia.pdf>. [3] SABESP. O uso racional da água adote essa ideia. Capturado online em 07/03/2014 de < CB88862E8D4E D900682E31/$File/folder _usoracional.pdf >. [4] CRISTOFILIS, D. Conservação e uso racional da água. Capturado online em 07/03/2014 de < A_%20AGUA.pdf>. [5] EMBRAPA. Manejo de recursos hídricos. Capturado online em 05/05/2015 de < [6] RADIUINO. Plataforma aberta para rede sensores. Capturado online em 10/02/2014 de < [7] SCADABR. Você já conhece o ScadaBR?. Capturado online em 04/09/2014 de < [8] RADIUINO. Treinamento plataforma Radiuino. Capturado online em 05/05/2015 de < diuinov7.pdf>. [9] SEEEDSTUDIO. Nó compatível Arduino sem fio - RFbee V1.1. Capturado online em 04/05/2015 de < Fbee_V1.1_- _Wireless_Arduino_compatible_node>. [10] SEEEDSTUDIO. Imagem módulo RFBee. Capturado online em 04/05/2015 de < pg>. < [13] SCADABR. Sobre o ScadaBR. Capturado online em 08/05/2015 de < [11] SOUZA, N. Sensor de distância ultrassônico e arduino. Capturado online em 26/08/2014 de < >. [12] TECMER. Detector de nível ultrasónico. Capturado online em 03/02/2015 de