UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA LUÍS RENATO FERRETI LOURIVAL BORGES DE AGUIAR FILHO SISTEMA DE DETECÇÃO DE EFLUENTES EM REDES PLUVIAIS

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1 UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA LUÍS RENATO FERRETI LOURIVAL BORGES DE AGUIAR FILHO SISTEMA DE DETECÇÃO DE EFLUENTES EM REDES PLUVIAIS Palhoça 2013

2 LUÍS RENATO FERRETI LOURIVAL BORGES DE AGUIAR FILHO SISTEMA DE DETECÇÃO DE EFLUENTES EM REDES PLUVIAIS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica Telemática, da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientadora Profª. Sheila Santisi Travessa, M.Eng. Palhoça 2013

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4 Aos nossos pais, Eriberto e Lenir / Lourival e Odalete

5 AGRADECIMENTOS Agradecemos as nossas famílias por nos apoiarem em todas as nossas escolhas, por todo amor, carinho e compreensão. Aos nossos pais e irmãos nossa eterna gratidão. Amamos vocês. Especial agradecimento à nossa orientadora, Sheila Santisi Travessa, pelos ensinamentos, incentivos e oportunidade. A você, o nosso carinho, admiração e respeito. Agradecimentos a todos os professores que colaboraram com seus conhecimentos para a nossa formação acadêmica, entendendo-os aos membros da banca, Darci Cidade Júnior e Luciano Pedro Demoro, por todo o auxílio prestado. Agradecemos especialmente a namorada e amiga Samantha Blauth por toda a paciência, companhia e auxílio nesse período de tantas abstenções, nervosismos e ansiedades, onde se fez sempre presente e companheira. Sem você com certeza não seria possível à realização deste trabalho. Agradecemos, ainda, aos nossos amigos e amigas e a todos que colaboraram para a realização deste trabalho de conclusão de curso.

6 Só o conhecimento vos libertará. (Prof. Fernando Cerruti, Dr).

7 RESUMO Nos últimos anos, percebe-se a preocupação crescente, quanto à preservação ambiental e à manutenção do meio ambiente de forma que gerações futuras também possam usufruir do que ainda se tem nos dias de hoje em termos de qualidade de vida. Este fato, que está ligado diretamente à manutenção e prevenção de danos ao meio ambiente, trouxe a inspiração para este trabalho. A contaminação em redes de água pluviais, rios e mares provocam consequentemente a degradação deste meio ambiente que se deseja manter. Objetiva-se através deste trabalho desenvolver um equipamento, que realize as medições do gás sulfeto de hidrogênio e a transmissão das leituras para os órgãos competentes, visando limitar principalmente o prazo de ação contra este tipo de crime ambiental bem como a prevenção e monitoramento constante da rede pluvial. Para execução, desenvolveu-se o projeto, a confecção da placa de circuito impresso, utilizou-se componentes como microcontrolador, módulo GPRS, sensor para detecção de sulfeto de hidrogênio além da programação de servidores de recebimento, banco de dados e linguagens específicas de programação para acesso online das informações. Os ensaios realizados foram em caráter demonstrativo. Para um produto finalizado são necessários parâmetros que devem ser informados pelos órgãos competentes para uma calibração específica do sensor do equipamento. Palavras-chave: Esgoto. Drenagem pluvial. Sulfeto de hidrogênio. Microcontrolador. Sensor. Servidor.

8 ABSTRACT In recent years, the increasingly prevalent concern, especially in the new generation sources, is related to the preservation and maintenance of the environment so that future generations can also enjoy what there is still today in terms of quality of life. This fact, which is connected directly to the conservation and prevention of the environmental damages, has brought the inspiration for this final paper. The contamination of rain, rivers and seas water networks cause the degradation of the environment that we want to keep. The propose of this project is to develop a device that performs measurements of hydrogen sulfide gas and transmit them for the institutions associated, mainly aiming to limit the period of action against this type of environmental crime, as well as the prevention and constant monitoring of the rain water network. To the implementation, the design and manufacture of the printed circuit board has been made from the application of components such as microcontroller, GPRS module and sensor for detecting of hydrogen sulfide, besides the programming of a server, database and specific programming languages for online access of information. The tests have been performed in a demonstrative mode. For a final product some parameters need to be informed by the relevant bodies for a specific calibration of the device sensor. Keywords: Sewage. Rainwater drainage. Hydrogen sulfide. Microcontroller. Sensor. Server.

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Sistema de esgotamento unitário Figura 2 Variação típica de esgoto unitário em período seco e úmido Figura 3 Sistema de esgotamento separador absoluto Figura 4 - Nos circuitos à válvula, geralmente estas eram montadas sobre um chassi de chapa metálica. A interligação entre os componentes principais era feita pela parte debaixo do chassi Figura 5 Ampliada de uma placa de circuito impresso (PCI) empregada em microcomputador Figura 6 Microcontrolador ATmega 328 da Atmel Figura 7 Sensor TGS Figura 8 Características de sensibilidade. Rs = resistência do sensores de gases exibidos em várias concentrações; Ro = resistência do sensor de ar fresco Figura 9 Circuito esquemático do sensor Figura 10 Diagrama esquemático do circuito Figura 11 Layout da PCI Figura 12 Print screen da tela do servidor de recebimento das informações Figura 13 Banco de Dados MySQL Figura 14 Interface web para apresentação de gráficos e medições

10 LISTA DE FLUXOGRAMAS Fluxograma 1 Impurezas contidas na água Fluxograma 2 Processo de corrosão do cobre Fluxograma 3 Programação do microcontrolador

11 LISTA DE FOTOGRAFIAS Fotografia 1 Impressão do layout do circuito Fotografia 2 Fixação do layout na placa de fenolite por transferência térmica Fotografia 3 Impressão do circuito na placa de fenolite realizada Fotografia 4 Furação da placa Fotografia 5 Retirada do excesso de tonner Fotografia 6 Solda dos componentes na placa de circuito impresso Fotografia 7 Medição com o equipamento realizada na Avenida Mauro Ramos Fotografia 8 Medição com o equipamento realizada na Avenida Mauro Ramos... 46

12 LISTA DE QUADROS Quadro 1 Especificação técnica do Sensor Figaro TGS

13 LISTA DE SIGLAS CISC Complex Instruction Set Computer (Computador com um Conjunto Complexo de Instruções) CPU Central Processing Unit EEPROM Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory (Memória ROM Programável e Apagável Eletricamente) FR Flame Resistant GPRS General Packet Radio Service (Serviço de Rádio de Pacote Geral) GSM Global System for Mobile (Sistema Global para Comunicações Móveis) IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IMEI - Identificação Internacional de Equipamento Móvel LCD Liquid Crystal Display (Display de Cristal Líquido) LED Light Emitting Diode (Diodo Emissor de Luz) MCPCB Metal Clad Printed Circuit Board PCI Placa de Circuito Impresso PTH - Pin Through Hole RAM Random Access Memory (Memória de Acesso Aleatório) RISC - Reduced Instruction Set Computer ROM Read Only Memory (Memória Apenas de Leitura) SMD Surface Mount Device (Componentes de Montagem em Superfície) SMS Short Message Service (Serviço de Mensagens Curtas) SMT Surface-Mount Technology SNIS Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento VCR Videocassette Recorder

14 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS Objetivo geral Objetivos específicos METODOLOGIA DE PESQUISA ESTRUTURA DE TRABALHO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ESGOTO SANITÁRIO Evolução histórica do esgotamento sanitário Classificação do esgoto Tipos de esgoto Características do esgoto doméstico PLACA PCI MICROCONTROLADOR Arquitetura AVR RISC Memória EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory Memória ROM Programável e Apagável Eletricamente) Memória Flash Memória SRAM Registradores do AVR SENSOR GPRS Módulo do GPRS DESENVOLVIMENTO DIAGRAMA ESQUEMÁTICO CRIAÇÃO DA PCI CONFECÇÃO DA PCI MONTAGEM DA PCI E COMPONENTES PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR SERVIDORES RESULTADOS DISCUSSÕES E CONCLUSÕES REFERÊNCIAS APENDICES APENDICE A - NETLIST APENDICE B - PARTLIST APENDICE C - PINLIST ANEXOS ANEXO A ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DO SENSOR ANEXO B ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DO MICROCONTROLADOR... 66

15 ANEXO C ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DO MÓDULO GPRS... 73

16 16 1 INTRODUÇÃO A poluição dos recursos hídricos em virtude da emissão de esgoto doméstico in natura ou sem o tratamento adequado é um preocupante problema de ordem ambiental e de saúde pública. O serviço de coleta de esgoto é pouco difundido entre os municípios brasileiros. O Atlas de Saneamento 2011, realizado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), registra que o equivalente a 44,8% dos municípios brasileiros não possuem coleta e tratamento de esgoto. Tal realidade é originária, ainda, dos reduzidos investimentos em saneamento e pela falta de educação ambiental da população. Importante, nesse sentido, que o curso d água receptor de esgoto à montante, pode ser, à jusante, um manancial de captação para outro município. Economicamente, Santa Catarina têm uma posição destacada no país, o que torna discrepante o investimento tão baixo na área de saneamento. Segundo dados do Diagnóstico dos Serviços de Água e Esgoto de 2010 do Sistema Nacional de Informações de Saneamento (SNIS), no Estado a parcela de esgoto tratado não ultrapassava a 16% e, em Florianópolis correspondia a aproximadamente 54%. Conforme Tsutiya & Bueno (2004), no período chuvoso, o número de entupimentos e vazamentos de esgoto nas residências e ruas da cidade cresce consideravelmente, sobretudo, em razão das conexões irregulares da rede de esgoto à rede pluvial. O esgoto acumulado e os sedimentos arrastados pela chuva contaminam, ainda, elementos hídricos e manguezais que formam o ecossistema da Ilha de Santa Catarina. Nos bairros onde existem esgotos ao ar livre, o mau cheiro e a sujeira proliferam juntamente com o lixo, favorecem a reprodução de ratos, baratas e moscas e muitas bactérias prejudiciais à saúde, causando um aumento de doenças, como gastroenterite, ascardíase, leptospirose (VON SPERLING, 2005). Pode-se considerar, portanto, duas razões para o planejamento de um sistema de esgoto: a saúde pública e a preservação ambiental.

17 MOTIVAÇÃO A partir do conhecimento do despejo clandestino dos efluentes na rede pluvial na região de Florianópolis, difundidamente tratado pela mídia, a proposição de uma solução para detectar e comunicar tal ambiental aos órgãos responsáveis, a fim de mitigar os danos ao meio ambiente e à rede pluvial com a maior rapidez possível, mostrou-se uma demanda para estudo e pesquisa. 1.2 JUSTIFICATIVA São evidentes os danos causados ao meio ambiente e à saúde pública com o despejo clandestino de águas residuárias na rede pluvial, sendo sua identificação, na atualidade, bastante lenta. Baseando-se nessa premissa e almejando agilizar tal processo de detecção para minimização dos prejuízos, faz-se necessário o emprego da tecnologia para que, de forma imediata, tal tipo de leitura seja realizada. Assim, a contribuição mais relevante no emprego deste sistema é a de evitar danos irreparáveis ao meio ambiente. 1.3 OBJETIVOS Objetivo geral Desenvolver um equipamento para detectar o efluente em rede pluvial Objetivos específicos a) Pesquisar a composição do esgoto para conhecimento quantitativo dos gases; b) Encontrar os sensores e microcontrolador apropriados para desenvolvimento do projeto; c) Desenvolver o software para integração do hardware com as devidas programações e calibração dos sensores;

18 18 d) Desenvolver módulo de transmissão via GPRS para envio da leitura aos órgãos responsáveis; e) Realizar testes necessários para ajustes finais entre software e hardware. 1.4 METODOLOGIA DE PESQUISA O método científico a ser realizado para este estudo será o dedutivo. O objetivo do estudo será exploratório, com procedimento técnico baseado em pesquisa bibliográfica e experimental através da abordagem qualitativa. 1.5 ESTRUTURA DE TRABALHO a) Capítulo 1 Introdução: Neste primeiro capítulo será introduzido o tema do trabalho, a fim de instigar o leitor, bem como ainda a justificativa, os objetivos e a metodologia do trabalho; b) Capítulo 2 Fundamentação teórica: Para que o leitor possa ter um entendimento completo do tema, este capítulo trará a fundamentação teórica do que será abordado, como temas principais: esgoto sanitário e eletrônica digital; c) Capítulo 3 Desenvolvimento: O terceiro capítulo trará todo desenvolvimento do equipamento produzido manualmente para detecção do efluente; d) Capítulo 4 Resultados: Este capítulo trará os resultados das leituras efetuadas no ponto escolhido, transmissão, recebimento e amostragem dos dados; e) Capítulo 5 Discussões e Conclusões: Neste capítulo ter-se-ão as conclusões das leituras efetuadas, o tratamento dos dados colhidos e análise da situação atual no ponto, assim como sugestões de melhorias.

19 19 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste Capítulo abordar-se-á a fundamentação teórica dos temas esgoto e eletrônica digital, a fim de introduzir o assunto para entendimento do trabalho. 2.1 ESGOTO SANITÁRIO Conforme definem Jordão e Pessoa (1995), esgoto é caracterizado por despejos provenientes das diversas modalidades de uso de origem das águas, como o uso doméstico, comercial, industrial, utilidades públicas, de áreas agrícolas, superfície, entre outros efluentes sanitários. O emprego do termo águas residuárias exprime a tradução literal da palavra wastewater, amplamente usada em inglês Evolução histórica do esgotamento sanitário O primeiro sistema de esgoto planejado e implantado no mundo, construída no século 6 a.c foi a Cloaca Máxima de Roma, a qual recebia parte dos esgotos domésticos das áreas adjacentes e também propiciava a drenagem superficial, controlando assim a epidemia da malária (ALEM SOBRINHO; TSUTIYA, 2000). A disposição das excretas das populações em expansão tornou-se impraticável, particularmente na Inglaterra e continente europeu, levando-se ao uso das privadas. Entretanto, esta solução apresentava odores indesejáveis e criou problemas de acúmulo residual nas mesmas. Na Europa medieval eram utilizadas estruturas similares aos drenos Romanos, entretanto, o lançamento das excretas nos condutos era proibido, dispondo-as nas ruas até que a próxima chuva ou lavagem de ruas as levasse para a drenagem pluvial ou curso d água mais próximo. O uso da privada com descarga hídrica, inventada aproximadamente em 1596 por Sir John Harington, demorou a acontecer. A coleta e afastamento dos esgotos doméstico receberam a devida atenção somente a partir do século 19, quando fatores como uso das privadas

20 20 hídricas, produção industrial de tubulações de ferro fundido e as epidemias agravaram os problemas da disposição dos esgotos. Somente em 1815 foi autorizado em Londres o lançamento de efluentes domésticos nas galerias de águas pluviais, todavia, a falta de planejamento desse sistema, provocou sérios problemas operacionais, dando início ao desenvolvimento de um sistema coletor de esgotos em Em 1842, após um incêndio que destruiu parte da cidade de Hamburgo, Alemanha, foi dado um grande avanço em projeto e construção de sistema de esgoto combinado (pluvial e doméstico). Este sistema unitário de esgotamento, recebendo contribuições pluviais, domésticas e eventualmente industriais foi rapidamente implantado em importantes cidades como: Boston (1833), Rio de Janeiro (1857) e Paris (1880). Tsutiya e Bueno (2004) afirmam que o sistema de esgotamento unitário teve um bom desempenho em regiões frias e subtropicais e com baixo índice de pluviosidade. Entretanto, em regiões tropicais, devido às elevadas precipitações pluviais, falta de pavimentação e limitações econômicas, os ingleses encontraram dificuldades para aplicação deste sistema. Assim, teve-se que modificar o sistema em relação ao tradicional, aplicando uma solução intermediária com o sistema separador parcial, este implantado no Rio de Janeiro. Em 1879, surgiu nos Estados Unidos um sistema em que as águas residuárias fossem totalmente separadas do destinado às águas pluviais, denominado posteriormente como separador absoluto. Este novo sistema permitia o esgotamento de águas residuárias com vazões menores, resultando em obras de menor porte e com menor custo resolvendo, então, parte do saneamento da cidade Classificação do esgoto A NBR 9648/86 classifica o esgoto sanitário, despejo líquido constituído de esgotos domésticos e industriais, água de infiltração e contribuição pluvial parasitária, em: a) Esgoto doméstico: Despejo líquido resultante do uso da água para higiene e necessidades fisiológicas humanas; b) Esgoto industrial: Despejo líquido resultante dos processos industriais;

21 21 c) Águas de infiltração: Águas provenientes do subsolo, indesejável ao sistema separador e que penetram nas canalizações; d) Contribuição pluvial parasitária: Parcela deflúvio superficial inevitavelmente absorvida pela rede coletora de esgoto sanitário Tipos de esgoto Os sistemas de esgoto podem ser classificados como: a) Sistema de esgotamento unitário (combinado): Um único sistema para águas residuárias (domésticas e industriais), águas de infiltração e águas pluviais, conforme ilustrado na Figura 1 abaixo; Figura 1 Sistema de esgotamento unitário. Fonte: Tsutiya (2004). Conforme se observa na Figura 2, apresentada a seguir, a vazão total com contribuições de águas pluviais e esgoto são superiores a somente à vazão de esgoto, gerando grandes picos de vazão em períodos chuvosos, significando oneração financeira e à saúde pública.

22 22 Figura 2 Variação típica de esgoto unitário em período seco e úmido. Fonte: TSUTIYA, 2004 apud TCHOBANOGLOUS, b) Sistema de esgotamento separador parcial: Uma parcela das águas da chuva provenientes de telhados e pátios é encaminhada juntamente com as águas residuárias e águas de infiltração para um único sistema e transporte de esgoto; c) Sistema separador absoluto: As águas residuárias e águas de infiltração veiculam em um sistema independente, denominados sistema de esgoto sanitário e sistema de drenagem pluvial respectivamente. Figura 3 Sistema de esgotamento separador absoluto. Fonte: Tsutiya (2004).

23 Características do esgoto doméstico Os esgotos domésticos contêm aproximadamente 99,9% de água e 0,1% de sólidos que inclui sólidos orgânicos, inorgânicos, suspensos e dissolvidos, assim como microorganismos (VON SPERLING, 2005). As impurezas encontradas das águas residuárias, podem-se ser caracterizadas conforme o Fluxograma 1. Fluxograma 1 Impurezas contidas na água. Impurezas Características físicas Características químicas Características biológicas Sólidos Gases Inorgânicos Orgânicos Ser vivo Suspensos Matéria em decomposição Animais Coloidais Vegetais Dissolvidos Protistas/moneras Fonte: VON SPERLING, 2005 apud BARNES et al, Conforme descreve Von Sperling (2005), o odor é uma característica física de qualidade da água, de sensação olfativa, com constituinte responsável sólidos em suspensão, sólidos dissolvidos e gases dissolvidos. Sua origem pode ser natural ou antropogênica, como por exemplo, o gás sulfídrico (sulfeto de hidrogênio H 2 S). O resultado do odor é importante para identificação e a vinculação com a sua origem, vinculada sobretudo, à presença de sulfetos, devido à atividade biológica, sendo o odor do gás sulfídrico característico de ovo podre (LILIAMTIS E MANCUSO, 2003).

24 PLACA PCI As placas de circuitos impressos ou PCIs, surgiram imediatamente em substituição aos antigos circuitos montados geralmente sobre um chassi de placa metálica. Esta montagem também conhecida como aranha recebia esse nome pois os pinos dos terminais eram fixados na parte inferior destas placas (MEHL, 2011). Figura 4 - Nos circuitos à válvula, geralmente estas eram montadas sobre um chassi de chapa metálica. A interligação entre os componentes principais era feita pela parte debaixo do chassi. Fonte: Mehl (2011). Atualmente a grande maioria dos circuitos impressos é produzida com placas de fenolite. Conforme Mehl (2011) define, esta placa é coberta com uma fina camada de cobre, prata ou ouro, em alguns casos, ser de fibra, poliéster ou de vidro. O objetivo é que o projetista desenhe as pistas condutoras que darão formato ao circuito após a remoção do excesso de cobre. Utiliza-se este tipo de placas em quase todos os equipamentos eletrônicos na atualidade, principalmente naqueles que possuem circuitos integrados em seu interior. Placa de fenolite na realidade é uma marca comercial de um fabricante, mas se tornou habitual o uso do nome pela sua ampla utilização. Conforme descreve Mehl (2011), as placas de fenolite são produzidas a partir de serragem de madeira e papel picado com uma camada de resina fenólica, originando a cor marrom comumente apresentada. Complementarmente, por ser produzida com tal material, torna-se muito suscetível à umidade, configurando um problema grave, haja vista que com a perda da característica isolante, inerente ao seu funcionamento, pode danificar seriamente o circuito.

25 25 Figura 5 Ampliada de uma placa de circuito impresso (PCI) empregada em microcomputador. Fonte: Mehl (2011). Em solução ao problema apresentado pelas placas de fenolite, as novas placas produzidas na década de 60 começaram a usar resina de epóxi para tornarem-se resistentes à umidade, passando a ser conhecidas como placas de fibra de vidro. De igual modo esta placa também trouxe um problema que foi sua resistência ao ser cortada ou furada. Porém com os equipamentos corretos e adaptados a demanda pela placa de fibra de vidro, hoje ela é a mais usada pela indústria em geral (MEHL, 2011). As placas de circuito impresso de fenolite são costumeiramente usadas para a confecção artesanal ou em poucas peças. A classificação das placas de fenolite e de fibra de vidro como FR-4 e FR-2 respectivamente dá-se em virtude de sua resistência ao fogo, originando a sigla em inglês flame resistant (FR). Não obstante, existe ainda um tipo de placa com utilização específica para uso em conversores DC-DC, diodos emissores de luz (LED) de alta potência e até em sistemas de injeção eletrônica de combustíveis. Tal placa é composta de alumínio e seu principal consiste na dissipação de calor como nas aplicações citadas acima, sendo conhecidas como Metal Clad Printed Circuit Board (MCPCB). Embora a prata seja um metal com maior condutividade elétrica, o cobre vem sendo o material mais usado para desenho das trilhas numa placa de circuito

26 26 impresso, principalmente por oferecer uma camada revestidora da placa com espessura significativamente mais fina. 2.3 MICROCONTROLADOR Conforme define Brain (2013), todos os computadores da atualidade são microcontrolados, podendo-se igualar, resguardadas as diferenças de tamanho e aplicações, um microcontrolador a um computador, embora algumas características permaneçam idênticas para ambos, como por exemplo: a) CPU (unidade de processamento central): todos os computadores a possuem, sendo a responsável pela execução dos programas. Toda vez que alguém senta em frente a um computador para realizar qualquer ação, a CPU dessa máquina está executando um programa. b) Disco rígido: para abrir uma planilha ou algum arquivo de texto em um computador de mesa, a CPU carrega o programa de algum lugar, requerendo-se, para tanto, o uso de um disco rígido para que o mesmo seja carregado; c) RAM (memória de acesso aleatório): é a memória em que o computador armazena as "variáveis". A diferença mais relevante entre um computador de mesa e um microcontrolador é que o primeiro tem como objetivo geral executar diversos programas distintos, enquanto os microcontroladores geralmente são criados para objetivos específicos. Apesar de a literatura abordar demais aspectos quanto a diferenciação, estas características são apontadas como as principais, ainda que não raro seja possível encontrar-se o uso do termo microcomputador para descrever um computador de mesa, o que não deixa de estar correto. a) É muito comum o uso de microcontroladores "embutidos" no interior de algum outro dispositivo para que possam controlar as funções ou ações do produto. Logo, normalmente há utilização do termo como sinônimo para o microcontrolador de controlador embutido. b) Por conta dos fins específicos que são a execução de algum programa, os microcontroladores utilizam para armazenamento a memória ROM que, por sua vez, é em geral imutável.

27 27 c) Diferentemente de um computador de mesa constantemente ligado à rede elétrica em período integral ou durante o uso, os microcontroladores são dispositivos que consomem pouca potência. Enquanto um computador de mesa pode consumir 50 watts de eletricidade, um microcontrolador alimentado por bateria pode consumir 50 miliwatts. d) Em sua grande maioria os microcontroladores têm um dispositivo dedicado à entrada e outros de saída. Geralmente é através da entrada que o microcontrolador faz a leitura dos dados e, após interpretar os comandos já contidos nele, processa-os e por meio da(s) saída(s) existente(s) em alguns, controla os dispositivos a ele conectados. Tal percepção pode ser melhor abordada a partir do exemplo trazido por Brain: Por exemplo, o microcontrolador de uma TV obtém a entrada a partir do controle remoto e exibe a saída na tela da TV. O controlador controla o seletor de canais, o sistema de alto-falantes e determinados ajustes nos componentes eletrônicos do tubo de imagem (como saturação e brilho, por exemplo). A unidade de controle de motor em um carro obtém a entrada a partir de sensores como os sensores de oxigênio e detonação e controla a mistura de combustível e temporização das velas, por exemplo. Um controlador de forno microondas obtém a entrada a partir de um teclado, exibe a saída em um visor LCD e controla um relé que liga e desliga o gerador de microondas (BRAIN, 2013). e) Os microcontroladores são pequenos e geralmente baratos, sendo seus componentes cada vez menores, minimizando o tamanho dos produtos e barateando-os; f) Em alguns casos os microcontroladores são feitos com maior robustez para suportarem a aplicação específica a qual é destinado. O processador em si, usado para implementar um microcontrolador pode variar amplamente. Por exemplo, o telefone celular digital contém um processador Z-80. O Z-80 é um microprocessador de 8 bits desenvolvido nos anos 70 e originalmente usado em alguns computadores da época. O GPS Garmin, contém uma versão de baixa potência do Intel O foi usado originalmente nos computadores de mesa. Em muitos produtos, como os fornos microondas por exemplo, a demanda sobre a CPU é bem baixa e o preço é um aspecto importante. Nesses casos, os fabricantes utilizam chips de microcontrolador dedicado: chips que foram projetados originalmente para serem CPUs econômicas, pequenas, de baixo consumo e embutidas. O Motorola 6811 e o Intel 8051 são bons exemplos desses chips. Também existe uma linha de controladores populares chamados de "microcontroladores PIC" criados por uma empresa chamada Microchip. Nos padrões atuais, eles são incrivelmente

28 28 minimalistas; mas extremamente econômicos quando adquiridos em grandes quantidades e geralmente conseguem atender às necessidades de um projetista de dispositivos com apenas um chip (BRAIN, 2013). Devido às aplicações específicas e que em alguns casos em condições extremas nas quais o computador de mesa não oferece suporte, faz-se necessária a utilização de um microcontrolador. Um microcontrolador em um avião, por exemplo, precisa funcionar em temperaturas de -30ºC enquanto este mesmo microcontrolador quando o avião está em solo pode encontrar temperaturas de 40ºC. Em contra partida um microcontrolador para um equipamento eletrônico comum não precisa apresentar essa resistência. Normalmente nos microcontroladores encontrados com maior facilidade no mercado contêm bytes de ROM e 20 bytes de RAM no chip, além de 8 pinos de E/S (Entrada e Saída). Atualmente no mercado, seu custo é de valor muito baixo, possibilitando assim sua utilização em larga escala na indústria. O microcontrolador ATmega328 da fabricante Atmel é utilizado nos Arduínos mais recentes, de 8 bits com arquitetura Harvard modificada. Ele pertence à família AVR, que compartilha uma arquitetura e conjunto de instruções básicas com os grupos tinyavr (microcontroladores ATtiny), megavr (os ATmega) e XMEGA (os Atxmega). Os primeiros modelos de Arduino utilizavam o ATmega8 (com 8K de memória Flash), posteriormente substituído pelo ATmega168 (16K de Flash e maiores recursos de entrada e saída) e por último pelo ATmega328, com 32K de Flash. O ATmega328 permite o uso diferente dos pinos, conforme retrata a Figura 6.

29 29 Figura 6 Microcontrolador ATmega 328 da Atmel. Fonte: NKC Eletronics Arquitetura AVR RISC A arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) permite que os sistemas nela baseados possam rodar mais rápido pois o microprocessor possui funções limitadas, em benefício do seu desempenho, requerendo assim menos instruções do que a tradicional arquitetura CISC. O AVR utiliza o conceito da arquitetura Harvard, onde os barramentos de dados e de instruções são fisicamente separados. A memória do programa é executada em pipeline de dois estágios: enquanto uma instrução está sendo executada, a próxima instrução é previamente buscada na memória de programa; habilitando assim a execução de instruções em todo ciclo de clock. A memória de programa é do tipo flash, com instruções relativas de jump e call Memória EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory Memória ROM Programável e Apagável Eletricamente) A EEPROM presente no AVR possui 512bytes e está ligada ao barramento de dados 8-bit interno, permitindo ser escrita diretamente sobre um microcontrolador durante o processo de gravação, ou que o próprio microcontrolador escreva os dados nas posições desta memória.

30 30 Um endereço de uma EEPROM pode ser apagado e reprogramado até vezes. O tempo de acesso de gravação é em média de 2,5 a 4ms, dependendo da tensão a qual é submetida Memória Flash A memória flash ou flash ROM pode ser definida como funcionalmente semelhante a uma EEPROM que utiliza baixas tensões de apagamento feito em tempo reduzido. O apagamento da memória flash é extremamente rápido e, ao contrário, da EEPROM não é possível reprogramar apenas um único endereço, ou seja, quando a memória é apagada, todos os seus endereços são zerados. O AVR apresenta 8 Kbytes de memória Flash Programável on-chip para armazenamento de programas Memória SRAM As informações existentes em uma memória RAM (Random Access Memor) não são estáveis e podem ser perdidas ao se desligar o computador, caso não sejam salvas fisicamente Registradores do AVR Uma característica básica é a presença de grupo de registradores internos. A arquitetura AVR apresenta 32 registradores de 8 bits, que podem ser manipulados para leitura e escrita, como 16 palavras de 16-bit. Há também os registradores de I/O, os quais são em número de 64 e podem ser endereçados diretamente em instruções de apenas um ciclo de clock. O grupo de instrumentação propõem o desenvolvimento de um tutorial sobre as diversas funcionalidades que o ATmega8 pode oferecer para o usuário. Além disso, introduzir alguns conhecimentos básicos sobre a arquitetura de um programa e sobre comandos de entrada/saída.

31 SENSOR O Sensor Figaro TGS 2602 para detecção de contaminantes de ar possui alta sensibilidade para baixas concentrações de gases, como por exemplo a amônia e sulfeto de hidrogênio. O sensor também tem uma elevada sensibilidade a baixas concentrações de compostos orgânicos voláteis como tolueno, conforme ilustrado na Figura 7. Figura 7 Sensor TGS Fonte: Figaro (2005). A detecção é feita por uma cama de semicondutor de óxido metálico formado sobre o substrato de alumina de um sensor chip em conjunto com um aquecedor integrado. Na presença do gás detectável, o sensor de condutividade aumenta dependendo da concentração de gás no ar. Um circuito elétrico converte a alteração da condutividade para um sinal de saída que corresponde à concentração de gás. A Figura 8 representa as características típicas de sensibilidade, extraídas da especificação técnica do produto, onde o eixo Y indica o sensor razão de resistência (R/Ro).

32 32 Figura 8 Características de sensibilidade. Rs = resistência do sensores de gases exibidos em várias concentrações; Ro = resistência do sensor de ar fresco. Fonte: Figaro (2005). O sensor requer duas entradas de tensão: tensão de aquecimento (VH) e tensão do circuito (VC). A tensão do aquecedor é aplicada ao aquecedor integrado a fim de manter o sensor a uma temperatura específica ótima para detecção. O circuito de tensão é aplicado para permitir a medição da voltagem, através de uma resistência de carga (RL) que é ligado em série com o sensor. É necessária uma tensão de corrente contínua para a tensão do circuito, uma vez que o sensor tem uma polaridade. Um circuito de alimentação comum pode ser utilizado para os dois tipos de tensões para cumprir os requisitos elétricos do sensor. O valor da resistência de carga (RL) deve ser escolhido para otimizar o limiar de alarme valor, mantendo-se o consumo de energia (PS) do semicondutor abaixo de um limite de 15mW. O consumo de energia será maior quando o valor de Rs é igual para RL a exposição ao gás.

33 33 Figura 9 Circuito esquemático do sensor. Fonte: Figaro (2005). No Quadro 1 a seguir são mostradas as especificações técnicas do sensor Figaro TGS 2602, utilizado neste trabalho. Quadro 1 Especificação técnica do Sensor Figaro TGS Fonte: Figaro Product Information TGS 2602.

34 GPRS O GPRS (General Packet Radio Services) é uma tecnologia de comutação de pacotes implementada sobre as redes GSM. Na evolução da rede GSM é considerado um padrão 2,5G. De maneira diferente das arquiteturas de redes celulares convencionais, nessa tecnologia, este tipo de protocolo somente é atribuído um canal lógico quando for necessário transmitir ou receber dados e os canais lógicos podem ser compartilhados entre diferentes usuários móveis (RAPPAPORT, 2002). Na comutação por circuito cada comunicação ocupa um canal e, na comutação por pacotes, há compartilhamento do canal, ou seja, cada pacote é enviado no momento em que há espaço no canal, havendo uma grande economia de espectro. GPRS é um serviço de valor agregado não baseado em voz que permite o envio e recepção de informações através de uma rede telefônica móvel Módulo do GPRS O módulo GPRS é responsável por efetuar uma comunicação sem fio entre o módulo de leitura, no caso o esgoto, e a Central de Monitoramento através de uma comunicação utilizando um modem GPRS. Segundo a especificação técnica SIM900 da SIMCOM (2012), o módulo Sem Fio SIM900 é um módulo completo Quadri-band GSM/GPRS em um tipo de SMT, projetado com um processador single-chip que integra o núcleo ARM926EJ-S, permitindo beneficiar pequenas dimensões e soluções de baixo custo. O modelo também oferece GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz para desempenho para voz, SMS, dados, fax e um fator de forma pequeno e com baixo consumo de energia. O equipamento possui uma pequena configuração, com medidas de 24mmx24mmx3mm, cabendo em quase todos os espaços em que é exigido, principalmente para demandas que necessitam de um design compacto.

35 35 3 DESENVOLVIMENTO Com a decisão dos componentes a serem utilizados, deu-se início ao desenvolvimento do equipamento, descrito nos subítens a seguir. 3.1 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO Tendo-se em vista as justificativas e os objetivos apresentados nos capítulos anteriores decidiu-se projetar este circuito utilizando um software de CAD chamado EAGLE em sua versão free que permite criar placas PCI com até 10cmX10cm de tamanho. A escolha dos componentes como microcontrolador, sensor, módulo GSM e SMD s foi realizada através do conhecimento adquirido durante o curso, bem como pela prática em projetos como este, desenvolvidos em caráter profissional pelos autores. Utilizando-se essa ferramenta projetou-se o circuito já com a definição de todos os componentes que seriam requeridos no mesmo, resultando em um trabalho conforme mostrado abaixo. Figura 10 Diagrama esquemático do circuito. Fonte: Dos autores, 2013.

36 36 Implementando-se o esquemático, a própria ferramenta de desenvolvimento já gera todas as listas de conexões de pinos e lista de componentes escolhidos para o melhor desempenho do projeto que são parte integrante do diagrama esquemático, dispostos nos Apêndice A, B e C 3.2 CRIAÇÃO DA PCI A placa PCI foi projetada exclusivamente para este trabalho, tendo-se em vista o direcionamento possível aos objetivos almejados em alcançar com o desenvolvimento do mesmo. Partindo deste princípio, a criação da PCI foi feita em diversas etapas, descritas a seguir. Primeiramente, gerou-se um layout do circuito através do software EAGLE para o desempenho deste passo do projeto, conforme ilustra a Figura 11 abaixo. Figura 11 Layout da PCI. Fonte: Dos autores, 2013.

37 CONFECÇÃO DA PCI Posteriormente à criação do layout do circuito, este foi impresso em uma folha de papel siliconada em impressora a laser, conforme a Fotografia 1. Fotografia 1 Impressão do layout do circuito. Fonte: Dos autores, Para a confecção da PCI utilizou-se o processo descrito na fundamentação teórica deste trabalho, sendo sua produção realizada manualmente, sendo utilizada na implementação apenas uma PCI que funcionou perfeitamente. A superfície de cobre da placa foi lixada para remoção da parte oxidada e outros resíduos como alguma gordura que possível de ser encontrada na mesma. Em seguida, fixou-se esta impressão de uma forma bastante firme para realizar a transferência térmica do layout impresso para a placa, conforme a Fotografia 2.

38 38 Fotografia 2 Fixação do layout na placa de fenolite por transferência térmica. Fonte: Dos autores, A Fotografia 3 ilustra que após realizada a transferência térmica do circuito para a placa obteve-se ela literalmente impressa no circuito. Fotografia 3 Impressão do circuito na placa de fenolite realizada. Fonte: Dos autores, 2013.

39 39 Após tais procedimentos deu-se início a um processo bastante simples para a corrosão do cobre com percloreto de ferro, almejando a remoção de toda parte de cobra da placa, excetuando-se àquela transferida com o tonner da impressora, mantendo-se assim, as linhas e trilhas necessárias para o correto funcionamento da placa, conforme ilustrado no Fluxograma 2. Fluxograma 2 Processo de corrosão do cobre. Percloreto de ferro Imersão para Corrosão PCI Corroída PCI Seca Fonte: Dos autores, 2013.

40 40 Depois da retirada total do cobre, fez-se a furação da placa para encaixe dos componentes a serem utilizados na implementação, conforme Fotografia 4. Fotografia 4 Furação da placa. Fonte: Dos autores, Por fim, como último procedimento para a confecção da placa, retirou-se o excesso de tonner para que restem apenas as trilhas de cobre na placa, conforme a Fotografia 5.

41 41 Fotografia 5 Retirada do excesso de tonner. Fonte: Dos autores, MONTAGEM DA PCI E COMPONENTES O processo de montagem da placa com os seus devidos componentes requer prática neste tipo de procedimento, pois é um serviço muito especializado para sua realização. Na montagem e encaixe dos componentes eletrônicos na placa de circuito impresso, utilizaram-se somente componentes com encapsulamento SMD (Surface Mount Device). Tais componentes são montados diretamente na placa de circuito impresso sem a necessidade de furá-la. Sendo o seu valor de custo mais acessível, outro motivo relevante. O tamanho de componentes, por sua vez, é menor que os componentes convencionais PTH (Pin Through Hole) podendo-se reduzir bastante o tamanho da placa de circuito impresso e, consequentemente, o custo da confecção. Conforme a Fotografia 6, para solda dos componentes utilizou-se estanho, fluxo de solda, ferro de solda e estação de retrabalho.

42 42 Fotografia 6 Solda dos componentes na placa de circuito impresso. Fotos: Dos autores, Após a solda de todos os componentes, efetuaram-se testes elétricos e, posteriormente, para proteção contra umidade, oxidação das trilhas e melhor acabamento utilizou-se revestimento conformável (Conformal Coating), nada mais do que um verniz indicado para placa de circuitos impressos. 3.5 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR O código utilizado está estruturado conforme definido no esquemático (Figura 10 do item 3.1) e no Pinlist (Apêndice C). O pino de leitura para o sensor TGS2602 será a entrada digital PCINT8. A programação do microcontrolador pode ser ilustrada conforme o Fluxograma 3.

43 43 Fluxograma 3 Programação do microcontrolador. Microcontrolador recebe sinal elétrico gerado pelo sensor de sulfeto de hidrogênio A informação é armazenada em um endereço de memória A informação armazenada é enviada via módulo GPRS Fonte: Dos autores, O módulo GPRS Modelo SIM900 possui um pino de saída para monitoramento externo. Desta forma, o microcontrolador monitora o status dos módulos GPRS na entrada digital PCINT9. O pino do status informa se o módulo GPRS está ligado, no qual, em caso de desligamento indevido, o microcontrolador força o religamento utilizando seu pino de saída PCINT4 que, por sua vez, está interligado com o pino POWERKEY do módulo GPRS. O mesmo microcontrolador rotineiramente solicita que o SIM900 verifique se o GPRS está registrado na rede celular. Para este tipo de solicitação entre microcontroladores, utilizam-se os comandos AT, sendo requerido para uma solicitação em específico, de registro em rede, AT+CREG. Caso o módulo GPRS não esteja conectado, o microcontrolador força para que o SIM900 se reinicialize através do pino de saída PCINT3, interligado no pino do módulo GPRS NRESET. O envio e recebimento dos comandos AT(TX e RX) no microcontrolador acontecem da seguinte forma, o pino de envio (TX) é o PCINT19 e o pino PCINT20 é o de recebimento (RX). Após tais verificações e com o módulo registrado em rede, o microcontrolador abre uma conexão UDP com o servidor e inicia a transmissão da informação do sensor que está anteriormente armazenado na memória.

44 SERVIDORES No local onde em que serão recebidas e analisadas as informações, foram instaladas as aplicações e serviços descritos a seguir para que seja recebido os dados coletados pelo sensor e transmitidos pelo módulo. Primeiramente foi disponibilizado um IP fixo com portas de acesso liberadas para conexões UDP. Empregou-se, para tanto, o Sistema Operacional Linux Debian versão 7.2 de 32bits para criação do servidor de recebimento, servidor Web e Banco de Dados MySQL. O servidor de recebimento, mantem-se apenas, via socket UDP recepcionando as informações transmitidas, sendo o mesmo programado com a linguagem de programação Python. As informações enviadas pelo equipamento instalado em pontos suspeitos de lançamento de dejetos em locais impróprios. A identificação de cada equipamento será feita pela Identificação Internacional de Equipamento Móvel (IMEI). Após o recebimento e com a devida identificação o próximo passo é a inclusão das informações em um Banco de Dados, no qual, constarão todos os históricos das leituras e transmissões realizadas dos equipamentos. Para a presente proposta, optou-se pelo bando da dados MySQL, uma vez que possui licença pública livre. A integração e interação entre o Banco de Dados e as requisições HTTP deu-se por intermédio da linguagem PHP, uma vez que apresenta capacidade de gerar conteúdos dinâmicos, gerar gráficos e relatórios, oferecendo visualização das informações online.

45 45 4 RESULTADOS Após todo o desenvolvimento e com todas as partes do equipamento e sistemas prontos partiu-se para os ensaios em campo. Escolheu-se a Avenida Mauro Ramos no centro da cidade de Florianópolis para realizar-se os ensaios, considerando-se que tal localidade já foi motivo de várias discussões relacionadas ao tema devido à canalização de sua rede pluvial da mesma ser despejada integralmente no Rio da Bulha, na Avenida Hercílio Luz. O equipamento foi colocado mais precisamente à altura do número 1310 para tal medição e mantido no acesso da canalização da rede pluvial por alguns minutos durante um período de 14 dias, conforme as Fotografias 7 e 8. Fotografia 7 Medição com o equipamento realizada na Avenida Mauro Ramos. Fonte: Dos Autores, 2013.

46 46 Fotografia 8 Medição com o equipamento realizada na Avenida Mauro Ramos. Fonte: Dos Autores, Na transmissão gerada recebeu-se o IMEI, data, hora, sensor e nível de bateria conforme Figura 12. Figura 12 Print screen da tela do servidor de recebimento das informações. Fonte: Dos Autores, 2013.

47 47 As informações recebidas automaticamente são armazenadas no Banco de Dados para que todos os relatórios, gráficos e alarmes gerados possam ser facilmente visualizados pelo operador do sistema. A Figura 13 ilustra o banco de dados com as informações armazenadas. Figura 13 Banco de Dados MySQL. Fonte: Dos Autores, Com os dados armazenados, através do sistema em PHP, faz-se sua interpretação e integração, apresentando-os por meio de uma interface web. Assim, o usuário terá condições de identificar o mais rápido possível qualquer tipo de alteração nas proximidades de onde os equipamentos estiverem instalados. A seguir, a Figura 14 demonstra, de uma maneira simples, algumas possibilidades de tratamento dos dados coletados pelos equipamentos.

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