UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

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1 i UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO SISTEMA AUTÔNOMO DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA MONITORAMENTO AMBIENTAL COM MODEM GSM WILTON JHONNES SILVA DE ALMEIDA FORTALEZA JUNHO DE 2011

2 ii WILTON JHONNES SILVA DE ALMEIDA SISTEMA AUTÔNOMO DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA MONITORAMENTO AMBIENTAL COM MODEM GSM Trabalho Final de Curso submetida à Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para obtenção do grau de Graduado em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes. Fortaleza Junho de 2011

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4 iv Portanto, qualquer que a si mesmo se exaltar será humilhado, e aquele que a si mesmo se humilhar será exaltado. (Lc ) Na verdade, na verdade vos digo que quem houve a minha palavra, e crê naquele que me enviou, tem a vida eterna, e não entrará em condenação, mas passou da morte para a vida. (Jo. 5.24) Porque eu vos dei o exemplo, para que, como eu vos fiz, façais vós também. (Jo ) Não há esforço que não seja recompensado, não há sabor de vitória sem o cheiro da conquista, a simplicidade coopera para o sucesso... (O autor)

5 v Ao meu Senhor Jesus, Aos meus pais, Wilton e Helena, As minhas irmãs, Cristiane, Paula e Wiviany, A minha avó, Maria, A minha namorada Samara A todos que contribuíram com esta monografia.

6 vi AGRADECIMENTOS Primeiramente ao meu Senhor Jesus por sua graça, direção e por ter me mostrado o verdadeiro significado do dom da vida. Ao Professor Dr. Ricardo Silva Thé Pontes, pela sua orientação e determinação para que este projeto fosse concluído, também a todo o grupo de Monitoramento Ambiental da Engenharia Elétrica - UFC. Ao Eng. Thiago Menezes, pela sua grande ajuda e disponibilização do Servidor de banco de dados. Ao Físico Thiago Nogueira, pela assistência prestada e suporte junto à FUNCEME. Aos meus colegas de pesquisa, Higor Pontes e José Robério, pela assistência integral em todos os momentos que precisei. Obrigado pelo grande apoio, extensa paciência, pela amizade e dedicação. Aos professores do DEE Sergio Daher, Fernando Antunes, Paulo Carvalho, Carlos Gustavo, Ruth Leão, José Almeida, José Carlos, Otacílio Mota, Laurinda Reis, Arthur Plínio, André Lima, Demercil de Souza, Luís Henrique. A meu Pai Wilton, minha mãe Helena, minhas irmãs Cristiane, Paula, Wiviany e minha avó Maria, que me ajudaram e me incentivaram durante todo o período de graduação. Também sou grato pelas noites mal dormidas que tiveram esperando eu chegar em casa durante os dias de conclusão de projetos da graduação. A toda minha família que apoiou a minha caminhada, sempre perguntando quando se formaria o primeiro engenheiro da família. A minha namorada Samara, pela paciência e compreensão prestadas durante a minha graduação. Aos colegas que me ajudaram durante a minha graduação, Ângelo da Silva, Douglas Aurélio, Kathiane Queiroz, Ronne Michel, Filipe, Wellington Assunção, Carlos Alberto, Diego Aguiar, Zairton Segundo, Wiglla, Dalton Honório, Antônio Barbosa, Jéssica, Célio Rogério, Lincoln, Sérgio Lima, Reginaldo e Gerlandio. A todos os amigos que fiz na faculdade, que por serem muitos não colocarei os nomes, pois sei que esquecerei alguém. A todos os jovens do conjunto Expressão de Louvor pelo apoio e pela confiança que depositam em mim. A todas as pessoas que por motivo de esquecimento não foram citadas anteriormente, vou deixando neste espaço minhas sinceras desculpas.

7 vii Almeida, W. J. S. de. Sistema de aquisição de dados para monitoramento ambiental com modem GSM, Universidade Federal do Ceará UFC, 2011, 99p. Este trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados com modem GSM capaz de processar os sinais de dois sensores de temperatura, um pluviômetro de báscula e um anemômetro tipo concha. Em adição, o sistema também provê a leitura da tensão na bateria do sistema. Os pacotes de dados são armazenados em uma memória EEPROM e posteriormente são enviados para um banco de dados em um servidor na internet através de um modem GSM. Este sistema de aquisição inclui bateria, painel solar e controlador de carga. Um dos aspectos importantes do projeto é ser constituído por elementos de baixo custo e de fácil acesso para propiciar viabilidade de venda e ser competitivo no mercado nacional e internacional. Palavras-Chave: Aquisição de dados. Sistemas autônomos. Modem GSM.

8 viii Almeida, W. J. S. de. Sistema de aquisição de dados para monitoramento ambiental com modem GSM, Universidade Federal do Ceará UFC, 2011, 99p. This paper discusses the development of a data acquisition system with GSM modem capable of processing the signals from two temperature sensors, a tipping bucket rain gauge and an anemometer type shell. It also provides the voltage on the system battery. Data packets are stored in an EEPROM and are then sent to a database on a server Internet through GSM modem. This acquisition system includes battery, solar panel and charge controller. One important aspect of the project is to be composed of elements of low cost and easy access to provide feasibility of sale and be competitive in domestic and international markets. Keywords: Data acquisition, autonomous systems, GSM modem.

9 ix SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS..... XIII LISTA DE TABELAS..... XV ACRÔNIMOS E ABREVIATURAS... XVI INTRODUÇÃO CAPÍTULO INTRODUÇÃO HISTÓRICO DE MEDIÇÃO DE CHUVA FORMAÇÃO DAS NUVENS MEDIÇÃO DE PRECIPITAÇÃO E UNIDADES DE MEDIDA PLUVIÔMETROS NORMALIZADOS CONVENCIONAIS DESCRIÇÃO GERAL ERROS DE MEDIDA DE PRECIPITAÇÃO LOCALIZAÇÃO E COLOCAÇÃO DO PLUVIÔMETRO MÉTODOS DE MEDIÇÃO COM PLUVIÔMETROS DE PROVETA (CONVENCIONAL) PLUVIÔMETRO DE BÁSCULA PLUVIÔMETRO UTILIZADO ESPECIFICAÇÕES DO PLUVIÔMETRO CONCLUSÃO CAPÍTULO INTRODUÇÃO TERMISTORES TERMOPAR SENSOR DE PRECISÃO DE TEMPERATURA EM GRAUS CELSIUS LM CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO LM APLICAÇÕES PRINCÍPIOS DE CONDICIONAMENTO DE SINAIS ANALÓGICOS PROJETO EXPERIMENTAL CONCLUSÃO CAPÍTULO INTRODUÇÃO TIPOS DE VENTO EQUACIONAMENTO MEDIÇÃO DO VENTO INSTALAÇÃO DO ANEMÔMETRO SENSOR DE DIREÇÃO E VELOCIDADE DE VENTO MODELO 200-WS-02F ANEMÔMETRO... 25

10 x CATA-VENTO ESPECIFICAÇÕES DO SENSOR 200-WS ANEMÔMETRO CATA-VENTO CONCLUSÃO CAPÍTULO INTRODUÇÃO ENERGIA SOLAR - GENERALIDADES RADIAÇÃO SOLAR SOBRE A TERRA POTENCIAL SOLAR EFEITO FOTOVOLTAICO MÓDULOS FOTOVOLTAICOS TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS E TECNOLOGIAS DE FABRICAÇÃO ASSOCIAÇÃO DE CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS MÓDULO FOTOVOLTAICO MSX CONCLUSÃO CAPÍTULO INTRODUÇÃO CONCEITOS BÁSICOS DE ACUMULADORES BATERIAS A BATERIA DE CHUMBO-ÁCIDO PROCESSOS DE CARGA E DESCARGA AVALIAÇÃO DO ESTADO DE CARGA ASPECTOS DA VIDA ÚTIL AUTONOMIA DO SISTEMA BATERIA UTILIZADA CONTROLADORES DE CARGA CONTROLADOR DE CARGA PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO CONTROLADOR UTILIZADO ESPECICAÇÕES DO SHS CONCLUSÃO CAPÍTULO INTRODUÇÃO MODENS GSM E GPRS ENVIO DE COMANDOS AT MODEM GSM COM DOIS CARTÕES SIM ALIMENTAÇÃO... 48

11 xi INTERFACE DO CARTÃO SIM SERVIDOR DE BANCO DE DADOS MYSQL PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS A ESTRUTURA O SISTEMA DE PRIVILÉGIOS O PHP ACESSO A BANCO DE DADOS CONCLUSÃO CAPÍTULO INTRODUÇÃO MICROPROCESSADORES E MICROCONTROLADORES CONVERSÃO A/D E D/A PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS PRINCIPAIS COMPONENTES DA PLACA DE AQUISIÇÃO DE DADOS MICROCONTROLADOR PIC18F REGULADOR DE TENSÃO LP EEPROM AT24C DESCRIÇÃO DO HARDWARE FONTE DE ALIMENTAÇÃO DE DATALOGGER MICROCONTROLADOR DRIVER PARA ACIONAR O MODEM GSM ENTRADA ANALÓGICA PARA SENSOR DE TEMPERATURA ALIMENTAÇÃO, SAÍDA E PROGRAMAÇÃO IN-CIRCUIT ENTRADAS PARA INTERRUPÇÕES EXTERNAS ENTRADA PARA UM ANEMÔMETRO DRIVER DA MEMÓRIA EEPROM CONCLUSÃO CAPÍTULO INTRODUÇÃO LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO C FERRAMENTAS DE DESENVOLVIMENTO UTILIZADAS COMPILADOR CCS PROTEUS FERRAMENTA DE PROGRAMAÇÃO UNIVERSAL SOFTWARE DESENVOLVIDO CONCLUSÃO CAPÍTULO INTRODUÇÃO... 67

12 xii RESULTADOS DE TESTES EM CAMPO COMPARATIVO ANÁLISE FINANCEIRA SISTEMA DESENVOLVIDO ESTAÇÃO METEOROLÓGICA WS ESTAÇÃO METEREOLÓGICA WS-2316U - WIRELESS SISTEMA 200-WS-25 COM REAL-TIME E DISPLAY COMPARAÇÃO ENTRE SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS CONCLUSÃO CONCLUSÕES TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 80

13 xiii LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Coletores adequados para os pluviômetros (o ângulo mostrado deve ser > 90º) [1]... 8 Figura 2 - (a) Pluviômetro e seus componentes [1]. (b) Pluviômetro e suas partes mais indispensáveis [1]... 8 Figura 3 - (a) Corte longitudinal de um pluviômetro de báscula [9]. (b) Pluviômetro de báscula TR-525M utilizado no sistema de aquisição de dados [10] Figura 4 - Termistores PTC e NTC [12] Figura 5 - Termopar Figura 6 - Sensor de temperatura LM Figura 7 - Placa de condicionamento de sinal para dois sensores de temperatura LM Figura 8 - Sensor de direção e velocidade de vento modelo 200-WS-02F [20] Figura 9 - Módulos fotovoltaicos fabricados comercialmente a partir de células de silício: (a) monocistalino; (b) policristalino; (c) amorfo [21] Figura 10 - Conexões de células em série e paralelo [21] Figura 11 - Esquema de ligação dos diodos de bloqueio (escuros) e de passagem (claros) em um sistema de geração fotovoltaica [21] Figura 12 - Circuito elétrico equivalente para células ou geradores fotovoltaicos [21].34 Figura 13 - Características I x V e P x V de uma célula ou módulo fotovoltaico [13]. 34 Figura 14 - Módulo fotovoltaico MSX Figura 15 - Evolução da tensão entre os terminais de uma bateria durante um processo de descarga a corrente constante de 5 A [21] Figura 16 - Percentagem relativa da vida útil de uma bateria em função do aumento da temperatura [23] Figura 17 - Bateria Haze HSC Figura 18 - Controlador de carga SHS Figura 19 - Modem GSM tato 2 SIM card Figura 20 - Vista superior da placa de aquisição de dados Figura 21 - Vista inferior da placa de aquisição de dados Figura 22 - Microcontrolador PIC18F Figura 23 - Entrada analógica e alimentação da placa de condicionamento de sinal Figura 24 - Bornes de alimentação, saída e programação in-circuit

14 xiv Figura 25 - Entrada para o pluviômetro de báscula Figura 26 - Entrada para o anemômetro tipo concha Figura 27 - Driver da memória EEPRON externa Figura 28 - Interface do compilador CCS Figura 29 - Esquemático do sistema de aquisição de dados simulado no PROTEUS. 63 Figura 30 - Fluxograma com a lógica do sistema de aquisição Figura 31 - Sistema de aquisição de dados instalado Figura 32 - Relatório final do dia 09/05/ Figura 33 - Relatório final do dia 10/05/ Figura 34 - Relatório final do dia 11/05/ Figura 35 - Gráfico de precipitação diária Figura 36 - Gráfico de temperaturas Figura 37 - Gráfico de velocidade do vento Figura 38 - Gráfico do ângulo do vento Figura 39 - Gráfico da tensão na bateria Figura 40 - Gráfico de registro de falhas na conexão

15 xv LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Irradiação solar anual em diferentes latitudes do Brasil [21] Tabela 2 - Chuvas diárias registradas no litoral de Fortaleza referentes ao dia 03/06/ Tabela 3 - Chuva registrada pelo sistema de aquisição de dados desenvolvido referente ao dia 03/06/ Tabela 4 - Orçamento do sistema de aquisição desenvolvido Tabela 5 - Comparação entre sistemas de aquisição de dados

16 xvi ACRÔNIMOS E ABREVIATURAS Símbolo Significado A/D Analógico/Digital API Application Programming Interface AT Atenção CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua CCS Custom Computer Services D/A Digital/Analógico DSC Digital Signal Controller EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory FUNCEME Fundação Cearense de Meteorologia GND Ground GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications HTML Hyper Text Markup Language I/O Input/Output I2C Inter Intergrated Circuit MCU Microcontroller Mph Milha por hora PHP Personal Home Page PWM Pulse Width Modulation RAM Random Access Memory ROM Read Only Memory RS-232 Recommended Standard 232 RS-485 Recommended Standard 485 SIM Subscriber Identity Module SMD Surface Mount Device SMS Short Message Service SPI Serial Peripheral Interface SQL Structured Query Language STC Standard Test Conditions UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter UFC Universidade Federal do Ceará URL Uniform Resource Locator USB Universal Serial Bus Vcc Tensão média WDT Watchdog Timer

17 1 INTRODUÇÃO A obtenção de informação hidrometeorológica de maneira consistente, rápida, segura e com a precisão necessária é uma condição imprescindível para a boa operação de uma rede de coleta de dados hidrometeorológicos. No Brasil, a compra, instalação e manutenção de equipamentos que permitam a coleta e transmissão destas informações apresentam um custo bastante elevado, já que muitos dos equipamentos são fabricados no exterior. Esta situação acaba se refletindo no baixo número de estações automáticas de coleta de dados hidrometeorológicos, o que prejudica o desenvolvimento de uma série de atividades de vários segmentos da sociedade. Nas atividades da defesa civil, que precisa conhecer, por exemplo, as condições de chuva em tempo real de uma dada localidade para que ações de emergência possam ser tomadas. Na área de agricultura, onde é necessário conhecer o montante de chuva nas últimas 24 horas para poder estimar o volume de água que precisa ser utilizado na irrigação de certa cultura de modo que não haja desperdício de água ou perda do potencial de crescimento da cultura, ou na operação de reservatórios quando da ocorrência de uma cheia [1]. Este trabalho foi motivado pela necessidade de se desenvolver um equipamento economicamente viável para a aquisição de dados pluviométricos, anemométricos e térmicos utilizando componentes de baixo custo. A principal aplicação à curto prazo deste sistema visa a coleta de dados pluviométricos e anemométricos de equipamentos pertencentes à Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos (FUNCEME) que se encontram instalado em campo aberto pertencente à Defesa Civil da cidade de Fortaleza. Este também coleta dados provenientes de uma placa de condicionamento de sinal com sensores de temperatura desenvolvida na Universidade Federal do Ceará (UFC). A outra aplicação, em médio ou longo prazo é a substituição dos pluviômetros à proveta, ou convencionais, espalhados pelo Estado do Ceará, os quais apresentam problemas de armazenamento de dados que poderão ser solucionados por meio da utilização de um sistema de pluviografia digital. Assim, foi desenvolvida uma placa de aquisição de dados confeccionada com componentes SMD (Componentes de Montagem em Superfície), de modo a reduzir o consumo de energia utilizado na alimentação do mesmo, tendo em vista que será alimentado com energia proveniente de uma bateria de 12 Vcc. Esta placa possui entrada para alimentação em 12 Vcc. A alimentação de todo o sistema é em 12 Vcc, pois os sensores utilizados utilizam este nível de tensão. A tensão da bateria

18 2 que alimenta este sistema será monitorada através da leitura de uma entrada analógica desta placa. Há disponível uma entrada para a conexão de um pluviômetro de báscula. Dispõe-se de duas entradas analógicas para leitura de sinal dos sensores de temperatura provenientes de uma placa de condicionamento de sinal. Há um drive para acionamento e conexão serial com um modem GSM, que é alimentado com 12 Vcc e se comunica por uma porta serial do tipo RS232. Este sistema disponibiliza uma entrada para conexão de um anemômetro, obtendo-se como saída a velocidade do vento em m/s, disponibiliza também uma entrada analógica para medir o ângulo do vento em relação ao Norte. Está presente também um drive de memória EEPROM externo, produzindo uma confiabilidade maior a este. No capítulo II são abordadas as necessidades, técnicas e metodologias utilizadas para se realizar medições pluviométricas. É feita a descrição do pluviômetro de báscula utilizado neste sistema de aquisição de dados. No capítulo III são apresentadas as necessidades e tecnologias atuais para realização de medições temperaturas e os princípios de condicionamento de sinais analógicos. É feita a descrição da placa de condicionamento de sinal utilizada. No capítulo IV são mostradas as necessidades, técnicas e metodologias utilizadas para se realizar medições do vento. É feita a descrição do anemômetro utilizado. No capítulo V é abordada uma revisão geral sobre energia solar e as técnicas de fabricação de células fotovoltaicas. É feita a descrição do módulo fotovoltaico utilizado. No capítulo VI è apresentada uma revisão geral sobre acumuladores de energia elétrica e controladores de carga. É apresentado o procedimento para se calcular a autonomia de um sistema. É feita a descrição da bateria e do controlador de carga utilizados neste sistema. No capítulo VII é feito o estudo do servidor de banco de dados MySQL, da linguagem de programação PHP e do princípio de acesso a banco de dados. É descrito o modem GSM utilizado para a comunicação com o Servidor. No capitulo VIII inicia-se o estudo do desenvolvimento do hardware proposto, descreve-se a memória externa e o microcontrolador utilizados. São descritos os sensores que poderão ser incorporados ao sistema. No capítulo IX é feito o estudo do desenvolvimento do software proposto, é abordado a lógica do firmware desenvolvido. É feita uma introdução à linguagem de programação C, ao compilador CCS e a ferramenta PROTEUS.

19 3 No capítulo X é abordado o desempenho do sistema de aquisição de dados em campo e a análise financeira do sistema desenvolvido comparando-o com outros sistemas presentes no mercado. Ao final do trabalho são apresentadas as conclusões, considerações finais e sugestões para trabalhos futuros.

20 4 CAPÍTULO 2 PLUVIOMETRIA INTRODUÇÃO A chuva é importante e benéfica para todos, porém, também pode ser muito danosa e perigosa quando ocorre em excesso. Quando chove forte, o excesso de água pode causar inundações e deslizamentos de terra. Quando chove pouco, a escassez de água poderá causar outros desastres, como as estiagens e secas. Embora existam outros elementos meteorológicos significativos para o estudo de desastres naturais, a chuva, pela sua importância e também facilidade de medição, deve ser um dos principais elementos de estudo [2]. Os dados de chuvas medidos podem ajudar na previsão do tempo, estabelecimento de sistemas de alerta, mapeamento de áreas de risco e na construção de obras de engenharia, como barragens, pontes, estradas, portos, diques, entre outros. Neste capítulo serão abordados as técnicas de medição de chuvas e os aparelhos que são utilizados para esta medição HISTÓRICO DE MEDIÇÃO DE CHUVA As variações dos fenômenos atmosféricos são conhecidas pelo homem desde os tempos mais primitivos. No século V, A.C., os gregos realizavam observações meteorológicas e no século IV, A.C., eram realizadas medições de chuva na índia. A torre dos Ventos em Atenas, datada do século XI A.C., é a construção meteorológica mais antiga conservada atualmente. Entretanto, somente no início do século XIV D.C. teve início a observação sistemática desses. [3] Durante séculos deu-se uma atenção especial a quantidade de chuva precipitada. As primeiras medições da precipitação pluvial foram realizadas na Índia durante o século IV A.C. nas regiões em que o abastecimento de água era escasso em certas épocas do ano [3].

21 FORMAÇÃO DAS NUVENS A umidade do ar é dita relativa, porque se relaciona com a temperatura do ar. Esta relação se dá de forma diretamente proporcional, ou seja, quanto maior a temperatura do ar, maior sua capacidade de conter umidade. As nuvens se formam pela perda da capacidade do ar de conter umidade. Isto ocorre quando massas de ar que estão com alta umidade relativa sofrem resfriamento. Na atmosfera, isto se dá normalmente pela elevação destas massas de ar. Ao subir, o ar vai se expandindo pela diminuição da pressão atmosférica. Esta expansão desconcentra calor, resfriando-o. À medida que o ar vai se resfriando, ele vai perdendo a capacidade de conter umidade, ou seja, sua umidade relativa vai aumentando até chegar a 100% da sua capacidade. Em seguida, a umidade começa a aparecer sob a forma de pequenas gotículas de água que pairam no ar, levadas pelos ventos. Quando o fenômeno ocorre a certa altura, chamamos de nuvem, quando está próximo do chão, chamamos de neblina, serração ou névoa. Se o processo continuar se intensificando, haverá a precipitação da umidade em forma de chuva [4]. Para que as gotas de água que formam as nuvens cheguem a precipitar-se, é necessário que estas aumentem de tamanho e que o ar situado abaixo das nuvens, não seja muito quente e nem muito seco, caso contrário, as gotas de água que iniciam a queda voltam a se evaporar. As precipitações pluviométricas podem ocorrer tanto da forma mais comum conhecida como chuva, como em formas mais moderadas como neblinas, garoas ou geadas, ou mais violentas como acontece nos furacões, precipitações de granizo, nevascas, etc. São três os tipos de chuvas para a hidrologia: chuvas convectivas, orográficas e frontais [4]. As convectivas são precipitações formadas pela ascensão das massas de ar quente da superfície, carregadas de vapor d'água. Ao subir o ar sofre resfriamento provocando a condensação do vapor de água presente e, consequentemente, a precipitação. São características deste tipo de precipitação: a curta duração, alta intensidade, frequentes descargas elétricas e abrangência de pequenas áreas [4]. As chuvas orográficas são geralmente provocadas pelo deslocamento de camadas de ar úmido para cima devido à existência de elevação natural do terreno por longas extensões. Caracterizam-se pela longa duração e baixa intensidade, abrangendo grandes áreas por várias horas continuamente e sem descargas elétricas [4]. As chuvas frontais originam-se do deslocamento de frentes frias ou quentes contra frentes contrárias termicamente, são mais fortes que as orográficas abrangendo, porém, como

22 6 aquelas, grandes áreas, precipitando-se intermitentemente com breves intervalos de estiagem e com presença de fortes descargas elétricas [4] MEDIÇÃO DE PRECIPITAÇÃO E UNIDADES DE MEDIDA O objetivo que se tem ao medir a precipitação é de obter informação precisa sobre a quantidade e distribuição, no tempo e espaço, desta. A forma mais simples e usual de realizar esta medição utiliza um medidor de abertura horizontal, circular, de diâmetro conhecido; desta forma se coleta e mede, com intervalos regulares, a quantidade que cai por unidade de área da abertura do medidor, a qual é igual a quantidade de precipitação por unidade de área dos arredores. Existe uma grande variedade de instrumentos de medição das diferentes fases da precipitação, nas quais os mais importantes medem a quantidade e a intensidade. Existem outros instrumentos que possuem medidores de tamanho e distribuição de gotas e outros que estabelecem o inicio e o fim da precipitação. A precipitação geralmente se mede mediante a captação de água em um determinado tipo de recipiente, convertendo-se depois esta quantidade em outra equivalente, baseado na profundidade, no tamanho do recipiente e sua forma, variando de forma apreciável de um país para outro. Em geral a água é captada em um recipiente circular de 12,5 a 30 cm de diâmetro, exposto a uma altura que varia de 45 a 100 cm em relação à superfície do solo. É suposto que o recipiente esteja localizado em um local livre de árvores e construções, de forma que estes não possam vir a impedir a queda livre da chuva [3]. Qualquer método de medida de precipitação deve tratar de obter uma amostra representativa da verdadeira quantidade que houvera caído sobre uma área na qual a medida pretende representar. Para tanto, a seleção do lugar, assim como o erro sistemático de medida são importantes. As unidades de precipitação são medidas lineares. As quantidades diárias de precipitação devem ser lidas com precisão de 0,2 mm e se possível, com a precisão de 0,1 mm; as quantidades semanais ou mensais devem ser lidas com precisão de 1 mm (pelo menos). As medidas diárias da precipitação devem ser efetuadas em horas fixas [1] e [5].

23 PLUVIÔMETROS NORMALIZADOS CONVENCIONAIS O pluviômetro é o instrumento mais frequentemente utilizado para medir a precipitação. Geralmente utiliza-se um recipiente aberto de lados verticais, em forma de cilindro reto. São utilizados vários tipos e tamanhos de formas de bocas. A quantidade de precipitação captada num pluviômetro é medida utilizando uma régua graduada, para determinar a profundidade, medindo-se o volume ou pesando o recipiente coletor. Em geral são recipientes cilíndricos graduados que deságuam em um tubo que capta a água da chuva. No final do funil, costuma-se colocar um par de malhas para evitar a entrada de sujeira DESCRIÇÃO GERAL Um pluviômetro comum utilizado para realizar leituras diárias possui frequentemente, a forma de um coletor situado acima de um tubo que dá entrada para um depósito. O tamanho da boca do coletor não é fator determinante quando se trata de precipitação líquida, mas é necessário que pelo menos uma área de 200 cm 2 caso um outro tipo de precipitação seja esperada em quantidade significativa. Sem dúvida o mais conveniente é uma área de 200 a 500 cm 2. Qualquer que seja o tamanho do coletor escolhido, a graduação da proveta ou do vasilhame de medida, deva estar de acordo com essa área. Os requisitos mais importantes que um pluviômetro deve reunir são os seguintes: a) A boca do coletor deve ter uma borda afilada, sendo a vertente interior sempre vertical e a exterior profundamente chanfrada; o desenho dos pluviômetros utilizados para medir neve deve ser tal que se diminua ao máximo a possibilidade de obstrução do orifício por acumulação de neve úmida ao redor da boca; b) A área da boca do pluviômetro deve ser conhecida com precisão de 0,5 % e a construção deste deve ser tal que esta área permaneça constante durante o uso normal do pluviômetro. c) O coletor deve ser desenhado de modo que impeça que a chuva salpique para fora, isto pode ser realizado construindo-se uma parede vertical bastante profunda e a pendente do tubo suficientemente inclinada (pelo menos 45 o ). A figura 1 ilustra estas condições;

24 8 Figura 1 - Coletores adequados para os pluviômetros (o ângulo mostrado deve ser > 90º) [1]. d) O depósito deve possuir uma entrada estreita, suficientemente protegida da radiação, para reduzir ao mínimo as perdas de água por evaporação. Os pluviômetros que são utilizados em lugares onde somente são feitas leituras semanais ou mensais devem ser análogos em desenho ao tipo para realizar medidas diárias, apenas com um depósito de maior quantidade de armazenamento e construção mais robusta. Nas figuras 2 (a) e (b) são exibidos um pluviômetro, na qual é formado por um cilindro oco (galvanizado) que em sua parte inferior possuir um depósito interior (vaso medidor) na qual se mede a quantidade de chuva que caiu. Esta medição pode ser realizada no mesmo recipiente, por meio de uma proveta graduada. São utilizados vários tamanhos, formas e altura do pluviômetro, dependendo de cada país. A área da boca do funil é geralmente dez vezes maior que a área da boca do fim do funil, afim de que cada milímetro de altura real da chuva seja amplificado em 10 vezes no recipiente medidor, podendo-se realizar medidas com um décimo de mm de aproximação. Em caso de realizar uma proveta para medição da chuva, a graduação desta também deverá guardar a relação entre a área do fim do funil e a do receptor de maneira que se possam realizar leituras em décimos de milímetros de chuva. A precisão é então de 0,1 mm, para chuvas cuja precipitação é inferior a 0,1 mm são consideradas inapreciáveis. Estas leituras devem ser realizadas a cada 24 horas. Figura 2 - (a) Pluviômetro e seus componentes [1]. (b) Pluviômetro e suas partes mais indispensáveis [1].

25 9 Este instrumento deve ser colocado em lugares abertos e sua boca deve permanecer horizontal e a 100 cm do solo. Cabe mencionar que existem outros tipos de pluviômetros diferentes, como o pluviômetro de báscula. Normalmente no Brasil costuma-se a realizar medidas diárias às sete horas da manhã. Em zonas remotas ou longínquas, são utilizados os grandes pluviômetros de armazenamento, nas quais são coletados e armazenados os dados de precipitação de 30 dias ou mais. Para evitar a evaporação entre leituras, é utilizada uma fina capa de óleo. O pluviômetro mais utilizado no Brasil possui um diâmetro de 225 mm na boca maior. Recomenda-se que o pluviômetro esteja protegido por uma cobertura de madeira contra radiações intensas, que podem provocar evaporações em seu interior e alterar as medições de precipitação. Este instrumento deve ser posto em lugares abertos e sua boa deve permanecer de forma horizontal e a 100 cm do solo. As condições gerais para os pluviômetros citados são: deve-se conhecer com precisão a área receptora, e esta deverá estar bem afilada para cortar as gotas de chuva, com isto evitar que as gotas sejam destruídas, impedindo a medição coerente da precipitação. De maneira semelhante, deve-se ter um recipiente coletor cuja área deverá ser conhecida. Para tomar a precipitação total em um intervalo de tempo, dever-se-á proteger o pluviômetro para diminuir a evaporação de água armazenada [1] e [6] ERROS DE MEDIDA DE PRECIPITAÇÃO Os erros sistemáticos e os erros aleatórios são importantes na medida da precipitação. São várias as fontes que dão origem aos erros sistemáticos. Na maioria dos casos, esses erros são devidos às acelerações horizontais e verticais médias dos ventos justamente sobre a boca dos pluviômetros elevados, estas podem vir a impedir que algumas partículas da precipitação entrem no pluviômetro. Assim, a quantidade de precipitação captada pelo pluviômetro é menor que a quantidade de precipitação incidente. A quantidade de precipitação captada pelo pluviômetro pode vir a sofrer de erros sistemáticos devido a outros fatores como: Umedecimento das paredes internas do pluviômetro, do coletor ou do depósito; Evaporação da água acumulada no depósito; Respingos de gotas de água precedentes do pluviômetro ou que entram nele; Neve procedente do ar que entra ou que sai do pluviômetro. Os erros aleatórios que são produzidos podem ser devido ao uso de medidas imprecisas do recipiente graduado, ao derramamento de água quando se remove o recipiente para

26 10 medi-lo, da fuga de líquido, seja do interior ou do exterior do pluviômetro, de erros de observação, ou da deformação ou danos do pluviômetro ou de sua boca, de desvios da posição da boca com respeito a horizontal, etc. A importância dos erros aleatórios pode ser reduzida mediante uma verificação frequente e periódica do pluviômetro e dos valores medidos, tomando como natural as medidas adequadas, para corrigi-las. Por outro lado, as componentes do erro sistemático são inerentes ao método da medida de precipitação; suas magnitudes variam em função das condições instrumentais e meteorológicas, variando de valores muito pequenos a valores significativos. Por conseguinte, nem todas as componentes serão levadas em consideração para um determinado tipo de pluviômetro, estação do ano e região. Por exemplo, a utilização do pluviômetro enterrado reduz a perda de precipitação líquida devido à deformação do campo de vento; as perdas por evaporação podem ser reduzidas colocando óleo no receptor, e dando-se uma forma ao pluviômetro de maneira tal que: a) Somente tenha-se exposta uma pequena superfície de água (no coletor); b) Sua ventilação seja reduzida ao mínimo; c) A temperatura interna do pluviômetro seja mantida a mais baixa possível. As perdas por molhagem das paredes interiores podem ser reduzidas por meio do uso de uma superfície muito lisa, nas paredes interiores do pluviômetro, de modo tal que a água não fique aderida a elas. Pode-se obter uma redução de perdas por molhagem e evaporação por meio de uso de pluviômetros cujas paredes são de seção cônica, desde a parte cilíndrica do coletor até a base do funil. As superfícies internas não devem ser pintadas devido à aparição posterior de superfícies rugosas, que aumentarão as perdas por molhagem, ao passo que à aplicação de esmalte sob a superfície de um pluviômetro garante resultados satisfatórios. As superfícies externas podem ser pintadas de branco para reduzir as perdas por evaporação. Os respingos, tanto dentro quanto fora do pluviômetro podem ser reduzidos mediante de um desenho adequado do coletor [7] e [8] LOCALIZAÇÃO E COLOCAÇÃO DO PLUVIÔMETRO O pluviômetro deve ser bem fixado em uma base, seja inferior ou lateral. Quando lateral, a superfície coletora deve ser fixada a uns 10 cm abaixo do extremo da base ou do poste, esse extremo deve possuir um corte de 45 o ; a face da parte superior é para colocar o pluviômetro.

27 11 A colocação das estações pluviométricas na zona de interesse, zona onde se quer medir a precipitação é de grande importância, pois o número de pluviômetros e sua posição determinam a precisão com que as medidas representam a quantidade real de precipitação que houvera caído na zona. Ao se escolher o local de colocação do pluviômetro, deve-se levar em conta a deformação sistemática, que são geradas por erros sistemáticos, do campo de vento por cima da boca do pluviômetro, assim como os efeitos que o lugar exerce sob a trajetória do ar. No geral, a proximidade de qualquer objeto em relação ao pluviômetro não deverá ser inferior ao dobro da distância de sua altura por cima da boca do pluviômetro. Para cada lugar, deverá ser estimado um ângulo vertical médio dos obstáculos e deverá também ser feito um plano de colocação, para que objetos circundantes não influenciem na medição. Devem-se evitar ladeiras ou os terraços de edifícios. Como se deseja que a análise dos dados seja feita da maneira mais fácil deve-se utilizar o mesmo tipo de pluviômetro e aplicação dos mesmos critérios de colocação, estas particularidades devem ser levadas em consideração na planificação das redes pluviométricas [7] e [8] MÉTODOS DE MEDIÇÃO COM PLUVIÔMETROS DE PROVETA (CONVENCIONAL) Os principais métodos de medição com pluviômetros convencionais são: a) Medindo a altura de água no recipiente coletor. A leitura real da precipitação é obtida dividindo-se a leitura por 10, já que a proporção das áreas, da de medição e a área de armazenamento é de 1:10. Exemplo: Ao ler-se em um recipiente coletor 115 mm então a precipitação será 11,5 mm. Sempre que possível deve-se utilizar uma medida volumétrica (por meio de outros recipientes graduados de medição). b) Medindo o conteúdo volumétrico da quantidade de água coletada. Para medir a precipitação captada em um pluviômetro comum, habitualmente, utiliza-se dois aparatos: uma proveta e uma régua ou estaca graduada. A proveta deve ser de vidro ou plástico transparente com um coeficiente de expansão térmica adequada e estar claramente marcada para indicar o tamanho e tipo de pluviômetro que se deve utilizar. O diâmetro deve ser inferior a 33% do diâmetro do pluviômetro; quanto menor seja o diâmetro relativo, maior será a precisão de medida. c) Pesando o conteúdo da área do recipiente coletor. Também é possível medir a precipitação captada mediante o uso de uma balança precisa. Mede-se o peso total do depósito e seu

28 12 conteúdo. Considerando aproximadamente a densidade da água de 1gr/cm 3, pesa-se o recipiente de água, de posteriormente, mede-se o peso do recipiente. A diferença é dividida pela área de captação [7] e [8] PLUVIÔMETRO DE BÁSCULA Os pluviômetros de proveta espalhados pelo Estado do Ceará sofrem alguns erros de medição e na aquisição de dados, que poderão ser reduzidos por meio da utilização de um sistema de pluviografia digital [1]. O pluviômetro utilizado neste tipo de sistema é conhecido como pluviômetro de báscula que está ilustrado na figura 3 (a) e (b). Este instrumento constitui-se, basicamente, de funil de captação e básculas que enviam sinais elétricos para uma placa de aquisição de dados. Seu princípio de funcionamento constitui-se de três processos: captação, registro e saída. Capitação: a água que entra pela boca do pluviômetro e passa pelos funis, superior e inferior. Registro: cada vez que uma das duas básculas excede a capacidade de receber água e transborda, elas se movimentam como uma gangorra e emitem sinais elétricos para a placa de aquisição de dados. Saída: a parte inferior destes pluviômetros possui tubos laterais por onde escoa a água da chuva, já registrada pelo equipamento. Figura 3 - (a) Corte longitudinal de um pluviômetro de báscula [9]. (b) Pluviômetro de báscula TR-525M utilizado no sistema de aquisição de dados [10].

29 PLUVIÔMETRO UTILIZADO O pluviômetro TR-525M é um recipiente independente para medir a precipitação. Ele contém uma parte superior aberta que permite a chuva cair no seu interior, chamado de coletor. A água captada é canalizada para um dispositivo mecânico (caçamba basculante), que acumula a chuva medida e provoca o fechamento momentâneo de uma chave magnética. Como a água é coletada, a caçamba basculante enche até o ponto onde temos a sua posição invertida. Esta ação esvazia a báscula em preparação para as demais medições. Água descarregada pela caçamba basculante passa para fora do pluviômetro, sem necessidade de esvaziamento [10] ESPECIFICAÇÕES DO PLUVIÔMETRO Resolução... 0,1 mm Precisão... 1,0% até (50mm / h) Diâmetro do coletor mm, com borda fina Profundidade do funil mm Temperatura de operação ºC Temperatura de armazenamento a 70 ºC Limites de umidade... 0 a 100% Altura mm CONCLUSÃO Neste capítulo foi feita uma revisão geral sobre as necessidades, técnicas e metodologias para realizar medições pluviométricas. Foram exibidos os equipamentos atualmente utilizados para tais fins e seus princípios de funcionamento. Foram apresentados também, erros de medida, que influenciam diretamente na coerência e consistência de informação. O pluviômetro convencional pode apresentar erros sistemáticos, e ou, aleatórios em suas medições. Já o pluviômetro de báscula reduz consideravelmente estes erros sendo necessária pouca manutenção e tem-se a possibilidade de integrá-lo a um sistema de aquisição de dados.

30 14 CAPÍTULO 3 SENSORES DE TEMPERATURA INTRODUÇÃO Existem diversos tipos de sensores de temperatura disponíveis no mercado, que vão desde os NTC s, PTC s e diodos até os mais variados tipos de termopares, dentre outros. Porém, estima-se que talvez nenhum dos citados anteriormente seja de tão simples manuseio e exija tão poucos aparatos eletrônicos para que funcione quanto o modelo LM35. Neste sistema é utilizado este sensor, um sistema amplificador de sinal e uma interface para realizar a leitura do sinal amplificado [11] TERMISTORES Os termistores, que podem ser visualizados na figura 4, são semicondutores sensíveis à temperatura, cuja função principal é exibir uma mudança grande, previsível e precisa em resistência elétrica quando submetidos a uma variação na temperatura de corpo. Esses dispositivos não são lineares e apresentam uma sensibilidade elevada (em geral, 3% a 5% por ºC) com faixa de operação típica de -100 ºC a +300ºC. Figura 4 - Termistores PTC e NTC [12]. NTC s são termistores de Coeficiente de Temperatura Negativo, ou seja, oferecem uma diminuição em sua resistência elétrica quando submetido a um aumento de temperatura. PTC s são termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo, ou seja, oferecem um aumento em sua resistência elétrica quando submetido a um aumento de temperatura.

31 15 Por suas características elétricas, os termistores são utilizados na proteção contra sobreaquecimento, limitando a corrente elétrica quando determinada temperatura é ultrapassada. Outra aplicação, no caso a nível industrial, é a medição de temperatura em motores, pois com ele podemos obter uma variação de uma grandeza elétrica em função da temperatura ao qual está submetido [13]. Devido à sua característica não linear os termistores não são recomendados para aplicações de monitoramento ambiental, pois estes ambientes dificilmente sofrem mudanças rápidas de temperatura TERMOPAR O Termopar, que pode ser visualizados na figura 5, é um tipo de sensor de temperatura simples, robusto, barato e de fácil utilização. Este dispositivo gera eletricidade a partir de diferenças de temperatura. Dois fios condutores de eletricidade, por exemplo, o cobre e uma liga de cobre-níquel chamada constatam, quando unidos em uma de suas extremidades, geram uma tensão elétrica, que pode ser medida na outra extremidade, se existir diferença de temperatura entre elas. Como a diferença de potencial é proporcional à diferença de temperatura entre suas junções, este princípio, denominado efeito Seebeck, em homenagem ao cientista que o descreveu, é amplamente utilizado para medir temperatura na indústria, em muitos tipos de máquinas e equipamentos. Figura 5 Termopar. A temperatura da junção de referência para termopares foi fixada em 0ºC para simplificar as equações matemáticas usadas que descrevem o comportamento dos termopares. Como consequência, as tabelas de referência dos termopares pressupõem uma junção de referência em 0ºC. Para realizar medições corretas o usuário deverá assegurar-se que essa condição está sendo atendida, seja por meios físicos (banho de gelo) ou por meios eletrônicos (compensação automática realizada pelo instrumento de leitura) [14].

32 16 Apesar de sua robustez e seu custo relativamente baixo, ainda não são muito utilizados em aplicações de monitoramento ambiental, devido à necessidade de se utilizar meio físico ou eletrônico para a sua calibração SENSOR DE PRECISÃO DE TEMPERATURA EM GRAUS CELSIUS LM CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO LM35 O sensor LM35, ilusrado na figura 6, é um sensor de precisão que apresenta uma saída de tensão linear relativa à temperatura em que ele se encontrar no momento em que for alimentado por uma tensão de 4-20 Vcc e GND, tendo em sua saída um sinal de 10 mv para cada grau Celsius de temperatura, deste modo, apresenta uma vantagem com relação aos demais sensores de temperatura calibrados em Kelvin, não necessitando nenhuma subtração de variáveis para que se obtenha uma escala de temperatura em Graus Celsius. Figura 6 - Sensor de temperatura LM35. O LM35 não necessita de qualquer calibração externa ou trimming para fornecer com exatidão, valores de temperatura com variações de ¾ ºC ou até mesmo ¼ ºC dentro da faixa de temperatura de -55 ºC a 150 ºC. Este sensor possui saída com baixa impedância, tensão linear e calibração inerente precisa, fazendo com que a interface de leitura seja implementada sem a necessidade de componentes eletrônicos de valores elevados, barateando o sistema em função de sua utilização ao invés de se utilizar outro sensor de temperatura. Este sensor pode ser suprido com alimentação simples ou simétrica, dependendo do que se desejar como sinal de saída, porém independentemente disso, a saída continuará sendo de 10 mv/ºc. Ele drena apenas 60 µa para estas alimentações, sendo assim seu auto-aquecimento é de aproximadamente 0.1 ºC ao ar livre [15].

33 APLICAÇÕES Por suas características elétricas, o LM35 é utilizado em: termômetros para câmeras frias e chocadeiras, controle de temperatura de máquinas, proteção para dispositivos industriais (motores, inversores, fontes) e aquisição de dados para pesquisas. O sensor LM35 pode ser utilizado, da mesma maneira que qualquer outro sensor de temperatura, colando-o sobre a superfície que se deseja medir a temperatura, sendo que sua temperatura estará em torno de 0.01ºC abaixo da temperatura da superfície que se encontra colado, pressupondo que a temperatura da superfície seja a mesma que a temperatura do ar que se encontra ao redor desde ambiente. Se a temperatura do ar fosse muito mais elevada ou mais baixa do que a temperatura da superfície, a temperatura real do LM35 estaria em uma temperatura intermediária entre a temperatura de superfície e a temperatura do ar [15]. A regra descrita acima se aplica especialmente para o encapsulamento do tipo TO-92 de encapsulamento plástico, onde as ligações de cobre são os trajetos térmicos principais para carregar o calor através do dispositivo, fazendo com que a temperatura fique mais próxima da temperatura do ar do que da superfície em que se encontra colado. Para amenizar este problema, deve-se prender a fiação que ligará o LM35 juntamente a superfície de interesse, para que ambas as partes estejam praticamente sempre na mesma temperatura [11]. O sensor LM35 está disponível em vários tipos de encapsulamentos, devido à grande possibilidade de aplicações, sendo o mais comum o TO-92, que oferece ótima relação custo benefício. Por ser o mais barato dos modelos e propiciar a mesma precisão dos demais, este foi o escolhido para o projeto PRINCÍPIOS DE CONDICIONAMENTO DE SINAIS ANALÓGICOS Na conversão analógica a saída condicionada é representada por uma variável analógica. Mesmo em aplicações envolvendo processamento digital algum tipo de processamento analógico é requerido antes que a conversão analógica-digital seja feita. Sensores são elementos específicos que transformam uma determinada variável de interesse (ou faixas de operação dessa variável) em uma grandeza passível de processamento. Geralmente, a variável de interesse é transformada em uma grandeza elétrica, uma vez que com os recursos oferecidos pela eletrônica pode-se realizar uma série de processamentos posteriores [16].

34 18 Transdutores são sistemas compostos por sensores mais algum dispositivo elétrico, eletrônico ou eletromecânico. O transdutor é um complemento de um elemento sensor com o objetivo de tornar possível a medição de determinada grandeza ou até mesmo melhorar as condições de medição de um sensor [16]. É possível classificar um condicionamento de sinais em vários tipos, os principais são: 1) Mudança no nível - O deslocamento de nível é o método mais simples e mais usado em condicionamento de sinais. Um exemplo típico é a necessidade de amplificar ou atenuar um nível de tensão. São utilizados em aplicações que resultam em sinais que variam lentamente com o tempo (baixas frequências), onde amplificadores DC ou de baixas frequências podem ser utilizados [17]. 2) Linearização - Normalmente a dependência que existe entre a entrada e a saída é não linear e em muitas aplicações o projetista tem pouca escolha sob a característica de saída do sensor versus variável de processo. Até mesmo aqueles dispositivos que são aproximadamente lineares podem apresentar problemas quando for necessária uma medida precisa de uma variável. Uma das funções do condicionamento de sinais é a de linearização da resposta do sensor. A linearização pode se realizada por um amplificador cujo ganho é função do nível de tensão de entrada [17]. 3) Conversão - Frequentemente, o condicionamento de sinais é usado para converter um tipo de grandeza elétrica em outra. Assim, uma grande quantidade de sensores fornece mudança na resistência quando a variável dinâmica muda. Neste caso, é necessário projetar um circuito que converte variação de resistência em sinal de corrente ou tensão. Quando a variação é pequena isto é normalmente feito com um circuito na forma de ponte. Ou através de um amplificador cujo ganho depende deste resistor, quando a variação for grande [17]. 4) Isolação - Em algumas situações é possível que o sinal do sensor contenha uma tensão de modo comum muito acima do valor máximo tolerável do circuito de condicionamento de sinal. Nesta situação faz-se o uso de amplificadores isolados para interfaciar este sinal ao circuito de condicionamento e aquisição de sinal [17]. 5) Filtragem - Outra forma de condicionamento de sinal consiste em filtragem do sinal. Frequentemente, sinais espúrios de considerável intensidade estão presentes em ambiente industrial, tais como transientes de motores e outros sinais indesejáveis. Em muitas situações

35 19 é necessária a utilização de filtros passa altas, passa baixa ou rejeita faixa para eliminar ou minimizar este sinais indesejáveis. Estes filtros podem ser implementados apenas com elementos passivos, como resistores, capacitores, indutores, ou filtros ativos, com o uso de amplificadores realimentados [17]. 6) Casamento de impedância - O casamento de impedância é uma característica importante na interface entre sistemas, quando a impedância interna do sensor ou a impedância da linha podem causar erro na medida da variável dinâmica. Neste caso, tanto malhas ativas ou passivas podem ser empregadas para realizar tal casamento [17] PROJETO EXPERIMENTAL Nesse projeto o sensor LM35 é utilizado como sensor de temperatura enviando um sinal para uma placa de condicionamento de sinal. Em seguida, este sinal amplificado foi aplicado a uma porta A/D do microcontrolador utilizado no sistema de aquisição de dados. Utiliza-se um condicionamento de sinal de mudança no nível de tensão. Um sensor emissor de sinal, neste caso o LM35, é acoplado a um amplificador operacional que eleva o seu sinal. O Amplificador Operacional (AMP-OP) utilizado é o LMC64, com ganho de 10x. O sinal de saída deste AMP-OP é ligado diretamente em uma porta A/D do microcontrolador onde será feito o tratamento deste sinal analógico. O sensor é alimentado com tensão +7 Vcc e GND, tendo em sua saída 10 mv/ C. A saída do sensor é ligada na entrada não inversora do operacional LMC64, que é alimentado com tensão +12 Vcc e GND. Os dados de temperaturas coletados e armazenados na placa de aquisição de dados serão enviados para um banco de dados de um servidor na internet através de um modem GSM. Na figura 7 temos a placa de condicionamento de sinal utilizada no sistema de aquisição de dados.

36 20 Figura 7 - Placa de condicionamento de sinal para dois sensores de temperatura LM CONCLUSÃO Neste capítulo foi feita uma revisão geral sobre termistores, termopares e o sensor de temperatura LM35. O sensor de temperatura escolhido para este sistema de aquisição de dados foi o LM35, devido a sua característica linear e ao seu custo relativamente baixo. Fora apresentado os princípios de condicionamento de sinais analógicos. Descreveu-se a placa de condicionamento de sinal que foi utilizada neste sistema de aquisição.

37 21 CAPÍTULO 4 MEDIÇÃO DO VENTO INTRODUÇÃO Uma das características principais do vento é o seu comportamento intermitente ao longo do tempo. Cabe aos instrumentos de medição do vento a tarefa de fornecerem, com maior ou menor precisão, as velocidades alcançadas. Isto é feito em geral através da geração de um sinal, analógico ou digital, proporcional à velocidade do vento. Neste capítulo será abordado o instrumento utilizado para medir a velocidade e indicar a direção dos ventos TIPOS DE VENTO O vento é caracterizado por deslocamentos de massas de ar causados pela diferença de aquecimento da Terra pela radiação solar. Assim, o vento pode ser considerado uma forma indireta de energia solar e representa o resultado da transformação de energia térmica em energia cinética. Estes deslocamentos podem ser classificados em: Deslocamentos globais: ocorrem devido ao fato da quantidade de calor que chega à superfície terrestre na região equatorial ser maior que a que chega aos polos; Deslocamentos locais: os mais importantes deslocamentos são do tipo terra-mar, montanha-vale; além da diferença de temperatura, este tipo de deslocamento é bastante influenciado pelo relevo do local. Para as regiões próximas a linha do equador, como é o caso do estado do Ceará, merece destaque a importância dos ventos alísios. Estes ventos são constituídos por movimentos de massas de ar em direção às menores pressões da aquecida faixa equatorial, sendo defletidos no sentido oposto à rotação da Terra pela ação da força de Coriolis [18]. A região próxima da linha do equador para a qual os ventos alísios convergem é denominada Zona de Convergência Intertropical (ZCIT). A posição da ZCIT migra em ciclos anuais, coincidindo, por exemplo, com o território do Ceará durante os meses de março a maio; a consequência é a ocorrência da principal estação chuvosa do estado, na qual os ventos alcançam os mínimos valores do ano. Nos restantes nove meses, a ZCIT se desloca para ou-

38 22 tras áreas, resultando em um período seco no estado do Ceará e a ocorrência de ventos com elevados valores e constâncias [18] EQUACIONAMENTO A velocidade v do vento em uma altura h qualquer pode ser estimada através de diversas relações, uma delas descreve o perfil da velocidade através de [18], conforme 4.1. v( h) v ln( h / Z ) 0 * ln( h / Z ) ref (4.1) ref 0 Sendo: h - altura de referência de medição de velocidade do vento; ref v - velocidade do vento medida na altura de referência; ref Z - rugosidade (altura no qual a velocidade do vento é zero). 0 Como exemplo de fatores que influenciam a rugosidade da superfície no Ceará pode ser citado as variações sazonais de vegetação observadas no interior do estado como consequência da alternância das estações chuvosas e secas [18]. Vale ressaltar que além da dependência do tipo do terreno, a velocidade do vento é também influenciada pela temperatura e pela pressão da atmosfera MEDIÇÃO DO VENTO O vento possui comportamento intermitente ao longo do tempo. Os instrumentos de medição do vento fornecem, com maior ou menor precisão, as velocidades alcançadas. Isto é feito em geral através da geração de um sinal, analógico ou digital, proporcional à velocidade do vento. Anemômetros são instrumentos utilizados para medir a direção e indicar a velocidade dos ventos. Inspirados nos cata-ventos, eles são calibrados de forma a que o total de voltas dadas por suas pás corresponda a uma velocidade específica, ou seja, se no túnel de vento em que é ajustada a corrente de ar sopra a dez quilômetros por hora, e as pás do instrumento giram cem vezes por minuto, ele é programado para indicar 10 km/h sempre que o anemômetro atingir 100 rotações por minuto, e assim para as demais velocidades [19].

39 23 Os principais aparelhos para a medição de vento são: Anemômetro de conchas: Este medidor de velocidade do vento pode ser compreendido como um pequeno rotor eólico com eixo de rotação vertical; ao eixo são fixados braços que sustentam conchas. Através da rotação do eixo pode ser gerada uma tensão proporcional à rotação via tacômetro, ou podem ser gerados pulsos por rotação que são contados em um determinado intervalo de tempo. A principal vantagem deste equipamento é a robustez e o custo, que faz com que este medidor seja o mais utilizado em nível mundial. Na escolha de um anemômetro de conchas existem características e parâmetros físicos fundamentais que definem o comportamento e a precisão do instrumento, como: comprimento do braço do rotor, área da concha, inércia do rotor, coeficiente de arrasto da face convexa do anemômetro, coeficiente de arrasto da face côncava do anemômetro, coeficiente de atrito mecânico por intervalo de temperatura, característica de sensibilidade para uma frente de vento fora do plano horizontal, curva de calibração. Anemômetro de hélice: Este medidor é constituído por um rotor eólico de eixo horizontal, no qual a rotação, quando superado o efeito do atrito do mancal, é linearmente proporcional à velocidade do vento. O anemômetro de hélice pode ser do tipo leme simples, duplo ou formado por um conjunto de três hélices posicionadas em eixos ortogonais. A principal vantagem do instrumento é a possibilidade de medição de vento via leme junto com a medição da velocidade do vento. A principal desvantagem do anemômetro de hélice com leme simples ou duplo é a instabilidade em situações de turbulências para acompanhar as variações da direção do vento [18] INSTALAÇÃO DO ANEMÔMETRO O melhor local para instalação de um anemômetro é no topo de uma torre de medição, mas isto nem sempre pode ser praticável ou desejável. Por exemplo, pode-se desejar medir a velocidade do vento em várias alturas para se determinar a rugosidade. Torres meteorológicas podem ter construção cilíndrica ou de treliça, de modo que o espaçamento necessário e a posição para a instalação de anemômetros, no topo destas ou sobre travessas horizontais, dependerão do tipo de torre. Existem modernas estações de medição de potencial eólico que possuem acoplado ao anemômetro, um sistema de armazenamento dos dados para uma central de processamento.

40 24 No caso de dados referentes à velocidade do vento, o sistema de armazenamento registra continuamente os valores e calcula o valor médio durante um período de tempo determinado anteriormente pelo usuário, sendo este valor médio armazenado em seguida. Os períodos de amostragem mais usuais para o cálculo do valor médio são de 10 minutos e 1 hora. Excepcionalmente pode se tornar necessário também o registro dos valores máximos de velocidade do vento ocorridos em determinado período. Para visualização das variações ocorridas com a direção dos ventos em determinado período se faz uso da chamada rosa dos ventos. Para o traçado da rosa dos ventos, os quatro quadrantes são divididos em geral em 12 setores de 30º, sendo contados no sentido horário a partir do norte [18] SENSOR DE DIREÇÃO E VELOCIDADE DE VENTO MODELO 200-WS-02F O sensor de direção e velocidade de vento utilizado no sistema de aquisição é o WS F, que pode ser visualizado na figura 8, que é composto de duas partes principais: um anemômetro para medir a velocidade do vento e um cata-vento para medir a direção do vento horizontal. O conjunto completo deste sensor foi projetado com o cata-vento montado em cima do anemômetro para a estabilidade e facilidade de transmissão do sinal. A combinação de um anemômetro de três conchas e uma unidade de cata-vento utiliza uma configuração em linha, eliminando a necessidade de uma cruzeta. A transmissão do sinal de saída é realizada através de cinco condutores e cabo blindado. Figura 8 - Sensor de direção e velocidade de vento modelo 200-WS-02F [20]. Os anemômetros produzem uma série de pulsos de saída com uma frequência diretamente proporcional à velocidade do vento. A direção do vento é medida por um cata-vento acoplado a um potenciômetro de 20 kohm [20].

41 ANEMÔMETRO O Anemômetro utiliza três conchas de giro para a velocidade do vento. À medida que o vento sopra as conchas, a pressão do vento contra o interior desses faz com que eles girem. Há três ímãs permanentes incorporados no eixo que mantém as conchas. Cada ímã gira passando por um ponto fixo sobre a base do sensor e ativa uma chave magnética montada na base. Três fechamentos de chave magnética serão produzidos para cada revolução do conjunto de conchas. Os contatos do interruptor magnético são normalmente abertos, o contato se fechará cada vez que um ímã passar sobre ele. A proporção de tempo fechado para aberto é, nominalmente, 1/10 do total período de uma revolução das conchas. Este ciclo de 1/10 pode mudar um pouco com o tempo de utilização do sensor e com a exposição a temperaturas extremas. O anemômetro é classificado para velocidades do vento de até 125 milhas por hora, aproximadamente 56 m/s, tem uma partida limiar de cerca de uma milha por hora, aproximadamente 0,447 m/s, e seu incremento é de 0,55 m/s. O interruptor magnético é classificado para transportar um máximo de corrente de 10,0 ma com uma tensão aplicada de não mais de 50 volts CA ou CC [20] CATA-VENTO O cata-vento é acoplado a um potenciômetro de 20K ohm, ± 20%. A linearidade do potenciômetro é de ± 1%. A dissipação de potência máxima deve ser limitada a 1/4 watt. A resolução é infinita sobre arco de potenciômetro que é de 355º. Existe uma zona sem medição de aproximadamente 5 graus entre o fim do arco do potenciometro e uma revolução completa de 360º. As flutuações na direção do vento é medida pelo sensor como a aerodinâmica de contra-peso e a cauda tenta mantê-lo alinhado com o caminho do vento. O movimento do catavento é transferido para o eixo do potenciômetro, causando uma mudança na resistência do potenciômetro. Conectando os fios do potenciômetro a uma fonte de tensão verifica-se a medição da direção do vento como uma mudança na queda de tensão sobre o potenciômetro [20] ESPECIFICAÇÕES DO SENSOR 200-WS ANEMÔMETRO Raio da curva...3 para o centro da concha Limiar de velocidade mph

42 26 Tipo de transdutor... ativação magnética Constante de velocidade mph = 1pps, 75mph = 60Hz Faixa de medição mph (típico) Precisão...1 mph ou 3% CATA-VENTO Precisão azimutal... 3% Tipo de mancais... Bucha Gap do potenciômetro... Aproximadamente 5º Constante de distância Razão de amortecimento Limiar mph Faixa de operação graus azimutal Constante de tempo...2 segundos Tamanho total H x 17 W Cabo condutores AWG CONCLUSÃO Neste capítulo foi feita uma revisão geral sobre ventos e seus instrumentos de medição de velocidade e de direção. Descreveu-se o equacionamento para determinar a velocidade do vento. Foram apresentados os dois principais tipos de anemômetro: tipo concha e tipo hélice. Descreveu-se o sensor de direção e velocidade do vento que foi utilizado neste sistema de aquisição de dados que pode medir velocidades de 0,55 a 56 m/s.

43 27 CAPÍTULO 5 ENERGIA SOLAR INTRODUÇÃO O termo energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa (e, em certo sentido, da energia térmica) proveniente do Sol, e sua posterior transformação em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento, ou ainda como energia elétrica ou mecânica. O aproveitamento da energia solar destinada à produção direta de eletricidade teve início há pouco mais de 160 anos quando, em 1839, o cientista francês Edmond Becquerel descobriu o efeito fotovoltaico ao observar, em um experimento com uma célula eletrolítica (dois eletrodos metálicos dispostos em uma solução condutora), que a geração de eletricidade aumentava quando a célula era exposta à luz. Neste capítulo será abordada a conversão de energia solar em energia elétrica, os tipos de células fotovoltaicas e as configurações dos módulos fotovoltaicos [21] ENERGIA SOLAR - GENERALIDADES RADIAÇÃO SOLAR SOBRE A TERRA A radiação solar se propaga na velocidade da luz, pois é uma radiação do tipo eletromagnética. A quantidade de radiação que atinge a superfície terrestre é bastante variável, sendo influenciada pela geometria Sol-Terra, por condições climáticas gerais, como a presença de nuvens, entre outros fatores. A quantidade de radiação que chega à superfície terrestre é bastante variável. Além das variações regulares, diária e anual, devidas ao movimento aparente do Sol, variações irregulares são causadas por condições climáticas (nuvens), bem como pela composição geral da atmosfera. Assim, o projeto de um sistema fotovoltaico requer dados de medições em locais mais próximos possíveis daquele onde se pretende implantar o sistema [21].

44 POTENCIAL SOLAR O Sol fornece anualmente à Terra 1, kwh de energia. Corresponde a vezes o consumo mundial de energia nesse período. A radiação solar representa uma inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de sua utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia como térmica e elétrica. O projeto de um sistema fotovoltaico requer o conhecimento e a cuidadosa utilização de dados de radiação solar de um determinado lugar em particular. Dados de radiação têm sido coletados para muitas localidades no mundo. Essas informações devem ser analisadas e processadas antes de uma estimativa da disponibilidade da radiação solar para um sistema fotovoltaico. Na tabela 1 apresenta-se a disponibilidade anual do recurso solar em kwh/m 2 para algumas cidades brasileiras, considerando-se a inclinação ótima de captação [21]. Tabela 1 - Irradiação solar anual em diferentes latitudes do Brasil [21]. Verifica-se que a cidade de Fortaleza tem a maior disponibilidade anual do recurso solar entre as capitais brasileiras.

45 EFEITO FOTOVOLTAICO O efeito fotovoltaico é definido como a conversão direta de luz em eletricidade. Os seus fundamentos baseiam-se na teoria do diodo de junção pn, e os elementos que constituem o dispositivo conversor são chamados de foto-elementos. Os materiais semicondutores utilizados na fabricação das células fotovoltaicas são normalmente pertencentes ao grupo quatro da tabela periódica de elementos. Esses semicondutores possuem a banda de valência completamente preenchida e a banda de condução vazia, quando puros. Para que o material possua a capacidade de conduzir corrente elétrica, ele passa pelo processo de dopagem, que pode ser realizado através de dois modos: no primeiro, o material dopante é um átomo do grupo cinco (doador) e a ligação ocasionará o aparecimento de um elétron livre, que poderá se deslocar para a banda de condução, formando o chamado semicondutor tipo n. No segundo, a impureza pertence ao grupo três (receptor), o que criará uma deficiência de elétrons na banda de valência (lacunas). Neste caso, o semicondutor é denominado tipo p. Para obtenção de uma célula fotovoltaica, o semicondutor puro é submetido a um processo de adição de impurezas, inicialmente do tipo receptora e posteriormente do tipo doadora, formando assim uma junção pn, na qual se baseia o princípio de operação da célula fotovoltaica. O silício é o semicondutor mais utilizado em células fotovoltaicas. Seus átomos caracterizam-se por possuírem quatro elétrons em sua última camada que se ligam aos vizinhos, por meio de ligações covalentes, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação haverá um elétron em excesso que não participará de nenhuma ligação e ficará livre, ou seja, fracamente ligado ao seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia, este elétron se libere, passando para a banda de condução. Neste caso temos um dopante doador de elétrons e denomina-se dopante n, ou impureza n. Quando forem introduzidos átomos com apenas três elétrons de ligação haverá falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede. Esta lacuna ocorre com pouca energia e um elétron de um átomo vizinho pode passar a essa posição, fazendo com que o ela se desloque. Neste caso temos um dopante aceitador de elétrons ou um dopante p. Se, partindo do silício puro, forem introduzidos átomos de boro (grupo três) em uma parte e de fósforo (grupo cinco) na outra, será formado uma junção pn. Na formação dessa junção elétrons livres do lado n passam para o lado p, onde encontram as lacunas que os capturam. Isto faz com que apareça um acúmulo de elétrons no lado p da junção, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o torna eletricamente positi-

46 30 vo. Essa transferência de cargas dá origem a um campo elétrico permanente, que dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p. O processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado n. Quando uma junção pn é exposta a fótons com energia maior que a da banda proibida, ocorre a geração de par elétron-lacuna. Se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção; esse deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial chamada de Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidades da junção pn forem conectadas a um circuito externo, haverá uma circulação de elétrons. Porém, somente os fótons com energia suficiente para libertar elétrons, contribuem para o efeito fotovoltaico. Assim, o efeito fotovoltaico só é consolidado pela existência do campo elétrico da junção pn, responsável pela separação das cargas (par elétron-lacuna) [21] MÓDULOS FOTOVOLTAICOS TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS E TECNOLOGIAS DE FABRICAÇÃO O dispositivo responsável pela conversão da luz incidente em eletricidade é denominado de célula fotovoltaica. A maioria dos materiais utilizados na conversão fotovoltaica é cristalina, sendo caracterizada por terem uma estrutura de átomos que se repete. Os materiais empregados na sua construção são elementos semicondutores, sendo, em escala comercial, a maioria fabricada de silício, devido a três fatores principais: o silício não é tóxico, é o segundo elemento mais abundante na natureza (o primeiro é o oxigênio), e possui uma tecnologia consolidada devido à sua utilização predominante no ramo da microeletrônica. Na produção de células fotovoltaicas o silício pode ser encontrado nas formas: monocristalina, policristalina e amorfa. Existem também novos materiais em estudo, alguns já em estágio de comercialização, denominadas tecnologias de filme fino, devido às suas características construtivas. As tecnologias que utilizam silício são descritas a seguir. Células de Silício Monocristalino: são atualmente as mais utilizadas comercialmente. As células de silício monocristalino são desenvolvidas a partir de um único cristal. Comercialmente, a eficiência dessas células já atinge valores próximos a 16%. As desvantagens es-

47 31 tão relacionadas com o alto custo de produção, devido ao processo construtivo e ao alto consumo de energia nos processos de fabricação. Células de Silício Policristalino: são constituídas de diversos cristais em contato entre si, dispostos de maneira não alinhada. Esse procedimento visa reduzir custos de fabricação, embora ocorra uma pequena perda de eficiência. Os avanços tecnológicos vêm reduzindo bastante as diferenças de custo e eficiência entre as células mono e policristalinas, sendo essas diferenças atualmente pouco perceptíveis. Células de Silício Amorfo: não apresentam qualquer ordenamento na estrutura dos átomos. Seus custos de material são reduzidos se comparados às células anteriores, porém apresentam eficiência também reduzida, com o máximo valor comercial atingindo 10%. A figura 9 ilustra três módulos correspondentes às tecnologias cristalina e amorfa [21]. Figura 9 - Módulos fotovoltaicos fabricados comercialmente a partir de células de silício: (a) monocistalino; (b) policristalino; (c) amorfo [21] ASSOCIAÇÃO DE CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Devido à baixa tensão e corrente de saída de uma célula fotovoltaica, agrupam-se várias células formando um módulo, para que se obtenham tensões e correntes úteis na prática. O arranjo das células nos módulos pode ser feito conectando-as em série e/ou em paralelo como mostrado na figura 10.

48 32 Figura 10 - Conexões de células em série e paralelo [21]. Quando se conecta as células em paralelo, somam-se as correntes de cada módulo e a tensão do módulo é exatamente a tensão da célula. A corrente produzida pelo efeito fotovoltaico é contínua. Pelas características típicas das células (corrente máxima por volta de 3 A e tensão muito baixa, em torno de 0,6 V) esse arranjo não é utilizado, exceto em condições muito especiais. O arranjo em série é a conexão mais comum de células fotovoltaicas, em geral em números de 30, 33 e 36. Este consiste em agrupar o maior número de células em série, onde se somam as tensões de cada célula, chegando a um valor final que possibilita a carga de acumuladores (baterias) que funcionam com tensão nominal de 12 V. Para que toda a corrente de um módulo não seja limitada por uma célula de pior desempenho (o caso de estar encoberta), usa-se um diodo de passagem (bypass), como mostrado na figura 11. Esse diodo serve como um caminho alternativo para a corrente e limita a dissipação de calor na célula defeituosa. Geralmente, o uso do diodo de passagem é feito em grupos de células, o que reduz o custo, quando comparado ao de se conectar um diodo em cada célula. Quando surge uma corrente negativa fluindo pelas células, ou seja, ao invés de gerar corrente, o módulo passa a receber mais do que produz, poderá causar queda na eficiência das células e, em caso mais crítico, a célula pode ser danificada, causando assim a perda total do fluxo de energia do módulo. Para evitar esses problemas, usa-se um diodo de bloqueio impedindo que correntes reversas venham ocorrer caso o módulo seja ligado diretamente a um acumulador ou bateria. O diodo de bloqueio é conectado entre o gerador ou fileiras que constituem o gerador fotovoltaico e o banco de baterias, para impedir que os módulos fotovoltaicos atuem como carga para as baterias em períodos de indisponibilidade de geração. Impedem

49 33 também que módulos operando em condições normais injetem correntes elevadas em um grupo de módulos em condições anormais de funcionamento. A figura 11 apresenta o esquema de ligação dos diodos de bloqueio (escuros) e de passagem (claros). Figura 11 - Esquema de ligação dos diodos de bloqueio (escuros) e de passagem (claros) em um sistema de geração fotovoltaica [21]. Além de compor a associação de células, o módulo tem ainda a função de proteger as células das intempéries, isolá-las eletricamente de contatos exteriores e fornecer rigidez mecânica ao conjunto. Os módulos podem ser associados em série e/ou paralelo, para obter maiores níveis de potência, corrente e/ou tensão, dependendo dos valores desejados. Uma associação de módulos dá origem a um gerador ou arranjo fotovoltaico. Quando a ligação é feita em série, a tensão final do arranjo (V T ) é igual à soma das tensões dos módulos e a corrente final do arranjo (I T ) é igual à corrente de um único módulo. As equações 5.1 e 5.2 descrevem esse comportamento. V T = V 1 + V 2 + V V n (5.1) I T = I 1 = I 2 = I 3 =... = I n (5.2) Quando a ligação é feita em paralelo, o processo é inverso ao anterior; a corrente final do arranjo é igual à soma das correntes e a tensão final é igual à tensão de um único módulo. As equações 5.3 e 5.4 descrevem esse comportamento [21]. V T = V 1 = V 2 = V 3 =... = V n (5.4) I T = I 1 + I 2 + I I n (5.5)

50 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS Uma das várias maneiras de se representar o circuito equivalente de uma célula fotovoltaica, do ponto de vista elétrico, está mostrado na figura 12. Essa representação pode ser utilizada para modelar células, módulos ou geradores constituídos de vários módulos. Este circuito requer que cinco parâmetros sejam conhecidos: a corrente de iluminação, ou fotogerada, I L, a corrente de saturação reversa do diodo, I D, a resistência em série, R S, a resistência em paralelo (ou shunt), (R Sh ), e, finalmente, um parâmetro de correção de curva, a [21]. Figura 12 - Circuito elétrico equivalente para células ou geradores fotovoltaicos [21]. Na condição de temperatura e radiação fixas, a potência de saída é dada pela equação 5.5. P V I (5.5) Onde: V Tensão de saída; I Corrente de saída. Dentre as características elétricas dos módulos, as mais importantes são: potência, tensão e corrente. Para analisá-las de forma mais detalhada, apresenta-se na figura 13 as curvas características de corrente versus tensão e potência versus tensão, típicas de uma célula ou módulo fotovoltaico. Onde: Figura 13 - Características I x V e P x V de uma célula ou módulo fotovoltaico [13].

51 35 P mp valor máximo de potência; I mp valor de corrente na potência máxima; V mp valor de tensão na potência máxima; V OC tensão de circuito aberto; I SC corrente de curto circuito. Observa-se que a corrente é aproximadamente constante até valores imediatamente anteriores a V mp ; a partir de onde a corrente de diodo (I D ) torna-se significativa. Na condição de circuito aberto, em aproximadamente 21 V para a maioria dos módulos de 36 células, toda a corrente de iluminação gerada está passando através do diodo e da resistência em paralelo, R Sh. As características elétricas dos módulos, fornecidas pelos fabricantes, são baseadas na condição padrão de testes: irradiância de W/m 2, temperatura da célula de 25 C e massa de ar (AM) igual a 1,5. Nessas condições, os valores de corrente de curto-circuito (I SC ) e tensão de circuito aberto (V OC ) são os valores máximos atingíveis quando o módulo opera sem carga. Sob carga, o valor máximo de potência (P mp ) é obtido pelo produto entre os valores máximos de corrente e tensão (I mp e V mp ), quando o retângulo formado pelas linhas pontilhadas da figura 5.6 apresenta área máxima. Idealmente, os geradores fotovoltaicos deveriam sempre operar no ponto de máxima potência; porém, na prática, eles operam em um ponto sobre a curva I-V correspondente às características I-V da carga. Dentre os fatores que influenciam as características da célula, a irradiância e a temperatura são os mais importantes. Baixos níveis de irradiância reduzem a corrente gerada sem causar redução considerável à tensão, enquanto que altos valores de temperatura da célula reduzem a tensão em maiores proporções do que aumentam a corrente [21] MÓDULO FOTOVOLTAICO MSX10 O módulo fotovoltaico utilizado neste sistema de aquisição é o MSX10, que pode ser visualizado na figura 14. Ele é projetado para operar com cargas CC, que necessitam de pouca potência elétrica. O MSX10 gera 10 watts de potência máxima em condições padrão de teste (STC).

52 36 Figura 14 - Módulo fotovoltaico MSX10. Este módulo pode ser utilizado em diversas aplicações, incluindo telemetria remota, sistemas de instrumentação, sensores de segurança e sinalização. O MSX10 é composto de 36 células solares de silício policristalino, configurado como duas seqüências de 18 células em série e já vem de fábrica configurado para fornecer tensões de saída compatível, dependendo do modelo encomendado, seja o sistema de 6 V ou 12 V [22]. Características elétricas MSX10: Potência máxima (P max )...10 W P max (V mp )...17,1 V P max (I mp )... 0,58 A P max mínima garantida...9 W Corrente de curto-circuito (Isc)...0,6 A Tensão de circuito-aberto (V OC )...21,1 V CONCLUSÃO Neste capítulo foi feita uma revisão geral sobre energia e painel solar. Descreveu-se o efeito fotovoltaico, as tecnologias de fabricação de células fotovoltaicas e tipos de associação de células e módulos fotovoltaicos. Os fatores que mais influenciam as características da célula são a irradiância e a temperatura. Baixos níveis de irradiância reduzem a corrente gerada sem causar redução considerável à tensão, enquanto que altos valores de temperatura da célula reduzem a tensão em maiores proporções do que aumentam a corrente. Fora apresentado o circuito elétrico equivalente para células fotovoltaicas e descreveu-se o módulo fotovoltaico utilizado neste sistema de aquisição de dados que poderá gerar potência de até 10 W.

53 37 CAPÍTULO 6 ACUMULADORES DE ENERGIA ELÉTRICA E CONTROLADORES DE CARGA INTRODUÇÃO A natureza das fontes renováveis como solar e eólica é intrinsecamente variável no tempo, onde depende dos ciclos diários, das estações do ano e das variações aleatórias da atmosfera. Devido a essas características, são muitos os momentos em que potência elétrica entregue pela parte renovável difere, por déficit ou por excesso, da demandada para uma determinada aplicação. Denomina-se de sistema de armazenamento a parte do sistema que se encarrega de fazer o armazenamento de energia nos momentos em que a produção excede a demanda, para utilizá-la em uma situação inversa. Para sistemas de aquisição de dados remotos é bastante vantajoso incluir no projeto um controlador de carga e um sistema de energia solar, pois se reduz o custo das reposições de baterias. Neste capítulo será abordado o sistema de armazenamento mais utilizado, que é constituído por acumuladores eletroquímicos (ou baterias) de chumbo-ácido. Também aborda-se o princípio de funcionamento dos controladores de carga CONCEITOS BÁSICOS DE ACUMULADORES Uma bateria é constituída de duas ou mais células conectadas em série. Uma célula básica é formada por dois eletrodos. Usualmente um é chamado de eletrodo positivo e o outro de eletrodo negativo. As baterias são classificadas, quanto à disponibilidade de carga, como primárias (ou não recarregáveis) e secundárias (ou recarregáveis). Dentre as baterias primárias podem ser citadas as pilhas não recarregáveis, com relação às baterias secundárias, as baterias automotivas são as mais conhecidas. A capacidade nominal é o número mais genérico da bateria. É a capacidade de descarga em ampére-hora (Ah) que uma bateria totalmente carregada conserva a 27 C, durante 20 horas, sem que a tensão entre os terminais caia para menos da tensão final de descarga

54 38 (10,5V). A capacidade nominal depende significativamente da corrente de descarga e da temperatura. O regime de carga (ou descarga) de uma bateria é definido como a relação entre a sua capacidade nominal e o valor da corrente usada para fazer uma carga (ou descarga). Assim, se a descarga de uma bateria de 120 Ah é realizada com uma corrente de 10A, se diz então que o regime de descarga utilizado é de 12 horas, o valor da capacidade da bateria é simbolizado como C 12 e a corrente utilizada para a descarga como I 12. A energia nominal (Wh) contida em uma bateria é definida pela tensão nominal da bateria (V) vezes a sua capacidade nominal de corrente (Ah). O estado de carga de uma bateria, conhecido como SOC informa a capacidade que pode ser descarregada da bateria em certo momento. Um estado de carga de 100% significa que a bateria está totalmente carregada. A profundidade de descarga (PD) é definida como 0% quando a bateria está totalmente carregada e 100% quando está totalmente descarregada (PD = 100% - SOC). Existem diversos tipos de baterias recarregáveis disponíveis, e suas características variam em função das suas formas construtivas e dos elementos que as compõem. Com relação ao eletrólito que as compõem, podem ser classificadas basicamente em abertas e seladas. As baterias abertas são aquelas onde o nível de eletrólito deve ser periodicamente verificado, devendo trabalhar na horizontal. Nas baterias seladas, o eletrólito é confinado no separador ou está sob a forma de gel. São usualmente conhecidas como livres de manutenção. As baterias mais comuns, em relação ao tipo de utilização, são as automotivas, estacionárias, de tração e fotovoltaicas. A seguir são apresentadas as principais características de cada uma delas: Automotivas: Projetadas para regimes de carga e descarga rápidos, com elevadas taxas de corrente e reduzidas profundidades de descarga, da ordem de 30% (partida). Como característica principal desse tipo de bateria destaca-se a baixa resistência aos ciclos de carga e descarga; Estacionárias: Projetadas para permanecerem em flutuação e serem solicitadas ocasionalmente (backup). Além disso, podem operar com regimes de carga elevados. Dentre as principais características destacam-se a moderada resistência aos ciclos de carga e descarga e o baixo consumo de água; Tração: Projetadas para operar com ciclos profundos e frequentes e regimes de descarga moderados. Suas principais características são: a alta resistência ao ciclo de carga e descarga e o alto consumo de água e a manutenção frequentes;

55 39 Fotovoltaicas (ou solares): Projetadas para ciclos diários rasos com taxas de descarga reduzidas (descargas profundas esporádicas, da ordem de até 80%). Como características principais destacam-se a resistência aos ciclos de carga e descarga e a pouca manutenção [21] BATERIAS Diferentes tipos de baterias recarregáveis estão disponíveis no mercado. A variedade de baterias é muito grande (Ni-Fe, Ni-Zn, Ni-Cd). As baterias de chumbo-ácido (Pb-ácido) e níquel-cádmio (Ni-Cd) tornaram-se as mais usuais. O preço das últimas é, para a mesma quantidade de energia, de quatro ou cinco vezes superior ao das primeiras. Assim, a questão econômica, associada à disponibilidade do mercado, faz com que a maioria dos acumuladores utilizados nos sistemas fotovoltaicos, eólicos, ou híbridos, seja constituída por baterias recarregáveis de chumbo-ácido [21] A BATERIA DE CHUMBO-ÁCIDO A bateria de chumbo-ácido é constituída, basicamente, por um anodo de dióxido de chumbo, também chamado de eletrodo positivo, um catodo de chumbo, também chamado de eletrodo negativo, e um eletrólito de ácido sulfúrico diluído em água. Durante seu processo de carga, deve ser conectado aos terminais da bateria um gerador CC, com tensão superior à da bateria, para que haja uma injeção de corrente pelo eletrodo positivo. O processo é reversível, e a bateria se descarrega quando se conecta aos seus terminais uma carga elétrica qualquer, com a consequente circulação de corrente no sentido oposto ao da corrente de carga. Durante o processo de carregamento, o eletrodo positivo possui um depósito de dióxido de chumbo enquanto que o negativo acumula chumbo. Esse processo acarreta a liberação de ácido sulfúrico ao eletrólito, aumentando sua concentração. Ao descarregar-se, a reação química que ocorre faz com que tanto a placa positiva quanto a negativa tenha um depósito de sulfato de chumbo, absorvendo ácido sulfúrico do eletrólito e, consequentemente, diminuindo sua concentração [21].

56 PROCESSOS DE CARGA E DESCARGA O processo de carga de uma bateria tem como objetivo principal a extração do ácido contido nas placas e a liberação destes para o eletrólito. É conveniente carregar uma bateria com um nível de corrente que não exceda o máximo dado pelo fabricante (por exemplo, uma bateria de 100 Ah, C 20, deve ser carregada com I 20, ou 5 A. O tempo de carga, multiplicado pela corrente de carga deve ser uns 15% maior do que o número de Ah da bateria, para compensar as perdas durante o processo de carga. Geralmente o perfil da carga atendida por sistemas autônomos se caracteriza por carga leve durante o dia e picos durante a noite. Assim, pode-se considerar que essas baterias sofrem um processo de carga durante o dia e descarga durante a noite, o que implica em ciclos diários de carga e descarga, o que equivale, em termos de vida útil para as famílias de bateria anterior (solar), de 2,74 a 3,30 anos, aproximadamente [21] AVALIAÇÃO DO ESTADO DE CARGA O valor da tensão da bateria não representa a melhor indicação do estado de carga ou da vida útil da mesma. Entretanto, na prática essa é a informação que com facilidade pode ser utilizada para a avaliação do SOC durante a operação de um sistema autônomo. A figura 15 ilustra a evolução da tensão entre os terminais de uma bateria durante um processo de descarga. Figura 15 - Evolução da tensão entre os terminais de uma bateria durante um processo de descarga a corrente constante de 5 A [21].

57 41 A tensão de final de descarga está entre os valores de tensão importantes para o gerenciamento do SOC. Esse valor, geralmente fornecido pelo fabricante, situa-se sempre próximo aos 10,5V, para uma bateria de chumbo-ácido de tensão nominal de 12 V, trabalhando a uma temperatura próxima de 25 C. Entretanto, é importante mencionar que a ocorrência de valores frequentes de PD iguais ou superiores a 50% (ver figura 15) que equivalem a tensões iguais ou inferiores a 11,8 V (para uma bateria de chumbo-ácido de tensão nominal de 12 V), implicará na significativa redução da vida útil da bateria. Para estas baterias a PD de 0% corresponde a 12,80 V, PD de 20% corresponde a 12,20 V e PD 100% corresponde a 10,80 V [21] ASPECTOS DA VIDA ÚTIL A vida útil da bateria é, primeiramente, determinada pelo número de dias em que ela alcança a condição de 100% de carga (que é o ideal) e o número de vezes em que ela atinge a tensão mínima de descarga (que é a pior condição de operação), e isso está diretamente ligado ao dimensionamento e às condições de operação. No caso particular dos sistemas fotovoltaicos, quando adequadamente dimensionados, as baterias dificilmente são carregadas totalmente, devido ao número limitado de horas de carregamento por dia. Assim, o termo carga completa deve ser diferenciado de uma carga completa real, definida pelo ponto em que toda a matéria ativa é convertida em material carregado, de um SOC solar prático de 100%. Recomenda-se uma carga completa a cada quatro semanas [21]. Operando-se com temperaturas ambientes elevadas tem-se uma maior atividade química que se traduz em uma redução da vida útil da bateria de chumbo-ácido, como mostra a figura 16. Figura 16 - Percentagem relativa da vida útil de uma bateria em função do aumento da temperatura [23].

58 42 Observa-se que (ver figura 16) a bateria quando operando a 50 C (25 C acima do especificado) tem sua vida útil reduzida em torno de 10%, porém para valores maiores de temperatura sua vida útil decai de forma mais rápida AUTONOMIA DO SISTEMA Para se obter bancos de baterias mais robustos, deve ser realizada a associação de várias baterias de menor capacidade em série e/ou paralelo, de modo a se obter o tamanho do banco desejado. Para a composição do banco de baterias, vários aspectos devem ser considerados, dentre os quais se destacam a escolha adequada da tensão do banco de baterias e o correto dimensionamento dos cabos usados na transferência de energia da e para a bateria. Teoricamente, pode-se calcular a autonomia, em termos de tempo, que o banco de baterias proporciona a um sistema, atendendo a uma carga especificada. Para esse cálculo, são utilizadas as equações 6.1 e 6.2 [21]. E N V C (6.1) BB B B B T E P /(100 P ) (6.2) A BB D 1 CARGA Onde: E BB = Energia do banco de baterias (Wh); V B = Tensão da bateria (V); C B = Capacidade nominal da bateria (Ah); N B = Número de baterias do banco; T A = Tempo de abastecimento (h); PD = Profundidade de descarga (%); P CARGA = Potência da carga (W). Para o cálculo da autonomia do sistema de aquisição de dados os parâmetros utilizados são apresentados a seguir. Esses cálculos são realizados nas equações 6.3, 6.4 e 6.5. V B = 12 V; C B = 7 Ah; N B = 1; PD = 80% (de acordo com a figura 6.2 corresponde a tensão de 11,20 V na bateria); I CARGA = 100 ma (corrente média consumida pelo sistema obtida experimentalmente para armazenamento de 10 pacotes de dados e envio de todos eles para o banco de dados,

59 43 sendo cada pacote feito com média de 20 segundos e mantendo-se o modem desligado durante o processo de armazenamento). E Wh (6.3) BB P V I 12 0,1 1,2 W (6.4) CARGA B CARGA T /(100 1,2) 56 h (6.5) A Assim este sistema de aquisição de dados tem autonomia média de 56 horas sem necessidade de outra fonte CC para recarregar a bateria utilizada na alimentação do mesmo BATERIA UTILIZADA A bateria utilizada neste sistema de aquisição de dados é a Haze HSC 12-7 (ver figura 6.4) que é do tipo chumbo-ácido selada, suas características são descritas a seguir. Vida útil de 5 anos; HSC 12-7 (12 V, 7 Ah); Energia nominal de 84 Wh; C 10 ; Figura 17 - Bateria Haze HSC CONTROLADORES DE CARGA O sistema de condicionamento de potência é constituído por equipamentos cuja função principal é otimizar o controle geração/consumo visando ao aproveitamento ótimo dos recursos, aliado à qualidade e continuidade na entrega da energia ao sistema. Os equipamentos eletrônicos que compõem o sistema de condicionamento de potência são, em geral, controladores de carga, retificadores, seguidores de ponto de máxima potência, inversores de tensão, entre outros [21].

60 CONTROLADOR DE CARGA PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Este sistema de condicionamento de potência é um equipamento normalmente associado ao arranjo fotovoltaico em sistemas híbridos. É um dispositivo eletrônico que opera em corrente contínua, cuja principal função é gerenciar os processos de carga e descarga das baterias. O primeiro no sentido arranjo fotovoltaico-bateria (geração) e o segundo no sentido bateria-carga (consumo). O controlador de carga deve atuar em um sistema híbrido de modo a evitar que a bateria opere em condições anormais, que contribuem para a redução de sua vida útil. Este atua desconectando o arranjo fotovoltaico das baterias e interrompendo o fornecimento de energia à carga, quando o nível de carga da bateria atinge valores pré-estabelecidos (extremos nos níveis de carga plena e profundidade máxima de descarga, respectivamente). O controle é normalmente desenvolvido através de dois métodos: método liga/desliga e método de tensão constante. Os controladores de carga podem também ser diferenciados pela forma como desconectam o arranjo fotovoltaico das baterias. Método paralelo (shunt) - neste método o chaveamento curto-circuita a geração. Necessita de um diodo de bloqueio para evitar o surgimento de correntes reversas. Método série este método simplesmente interrompe a circulação de corrente no sentido arranjo fotovoltaico-bateria quando esta última está completamente carregada. As características mais importantes dos controladores de carga a serem consideradas na etapa de dimensionamento são a sua capacidade e a sua tensão de operação [21] CONTROLADOR UTILIZADO O Controlador de carga utilizado neste sistema de aquisição é o SHS-10, que está ilustrado na figura 18. Figura 18 - Controlador de carga SHS-10.

61 45 Para instalar este controlador de carga devem ser tomadas algumas medidas, tais como [24]: Conectar primeiramente a bateria, em seguida o painél solar e por último o carga; Usar somente bateria de chumbo-ácido; Usar somente com sistemas de 12 V; Não se devem exceder as potências nominais de energia solar e carga ESPECICAÇÕES DO SHS-10 Ponto de regulação...14,3 Volts. Desconexão de baixa tensão... 11,5 Volts. Reconexão de baixa tensão... 12,6 Volts. Tipo de carregamento...série PWM 4 Estágios: Massa, PWM, Reforço e Flutuação - Carregamento com temperatura compensada. Proteções eletrônicas: Curto-circuito e corrente excessiva - energia solar e carga; Inversão de polaridade painél solar, carga, bateria; Inversão de corrente à noite; Limita a alta voltagem para proteger a carga; Consumo próprio...8 ma (máximo) Temperatura C a +50 C Umidade...100% (não condensante) Invólucro...IP CONCLUSÃO Neste capítulo foi feita uma revisão geral sobre acumuladores de energia, processo de carga e descarga, avaliação da vida útil, e montagem de banco de baterias. Fora apresentado o controlador de carga, cuja principal função é gerenciar os processos de carga e descarga das baterias. Descreveu-se a bateria e o controlador de carga que foram utilizados neste sistema de aquisição de dados. A autonomia deste sistema é de 56 horas sem necessidade de outra fonte CC para recarregar a bateria utilizada na alimentação do mesmo.

62 46 CAPÍTULO 7 MODEM GSM E BANCO DE DADOS INTRODUÇÃO Um modem GSM (Sistema Global para Comunicação Móvel) é um modem sem fio que funciona com uma rede sem fio GSM. Um modem sem fio se comporta como um modem dial-up (linha comutada ou discada). A principal diferença entre eles é que modem sem fio envia e recebe dados através de ondas de rádio, enquanto um modem dial-up, envia e recebe dados através de uma linha de telefone por fio [25]. Neste capítulo serão abordados os comandos que controlam os modens. Também será realizada uma introdução sobre o servidor de banco de dados MySQL, a linguagem de programação PHP e o acesso a banco de dados MODENS GSM E GPRS Modem é um dispositivo eletrônico que converte o sinal digital de saída do computador em formato analógico para a transmissão pela linha telefônica digital, e também converte o sinal analógico proveniente da linha telefônica em um sinal digital na entrada do computador [26]. Os modens são controlados por computadores através de comandos AT, ver item 7.3. Ambos os modens GSM e dial-up possuem um conjunto de comandos AT padrão. Além dos comandos AT padrão, modems GSM possuem uma gama de outros comandos AT. Estes comandos AT extras são definidos nas normas GSM. Com os comandos AT extras realiza-se as seguintes atividades: ler, escrever e apagar mensagens SMS; enviar mensagens SMS, controle da intensidade de sinais; monitoramento de nível de baterias. Um modem GPRS (Serviço de Rádio de Pacote Geral) é um modem GSM que adicionalmente suporta a tecnologia GPRS para transmissão de dados. GPRS é uma tecnologia de comutação de pacotes, que é uma extensão do GSM. Uma das principais vantagens do GPRS sobre o GSM é que o GPRS tem uma velocidade de transmissão de dados superior. Se for utilizado SMS através de GPRS, uma velocidade de transmissão de cerca de 30 mensagens SMS por minuto pode ser alcançada. Isto é muito mais rápido do que usando o SMS via GSM co-

63 47 mum, cuja velocidade de transmissão é cerca de 6 a 10 mensagens SMS por minuto. Um modem GPRS é necessário para enviar e receber SMS através de GPRS. O envio e recepção de SMS através de GPRS não são suportáveis por todas as operadoras [25] ENVIO DE COMANDOS AT Os comandos AT são instruções usadas para controlar um modem. AT é a abreviação de atenção. Cada linha de comando começa com "AT" ou "at". É por isso que são chamados de comandos de modem AT. Muitos dos comandos que são usados para controle de modem com fio dial-up são também suportados por modems GSM/GPRS. Além deste conjunto de comandos AT comuns, modens GSM/GPRS suportam um conjunto de comandos AT que é específico para a tecnologia GSM, que está relacionado com comandos de SMS como: AT + CMGS (enviar SMS), AT + CMSS (enviar mensagem SMS de armazenamento), AT + CMGL SMS (lista mensagens SMS) e AT + CMGR SMS (ler mensagens SMS) [27]. Os comandos AT utilizados na aplicação TCP/IP implementada no software do sistema de aquisição de dados são descritos a seguir: AT+CIPSTART Inicia uma conexão TCP; AT+CIPSEND Envia os dados através da conexão TCP; AT+CSTT Configura APN (Nome do Ponto de Acesso), nome do usuário e senha; AT+CIICR Cria conexão wireless (sem fio) com GPRS; AT+CIFSR Obtém endereço IP (endereço que indica o local de um nó em uma rede local ou pública) local; AT+CDNSCFG Configura o DNS (Sistema de Nomes de Domínios) AT+CDNSORIP Conecta com endereço IP ou DNS MODEM GSM COM DOIS CARTÕES SIM Este modem, que está ilustrado na figura 19, possui o módulo sim340 SIMCOM. Este módulo pode ser integrado em uma vasta gama de aplicações. Projetado para o mercado global, sim340 é um modem GSM/GPRS que funciona em frequências de: GSM 850 MHz, GSM 900 MHz, DCS 1800 MHz e PCS1900 MHz. A interface física para a aplicação móvel é feita através de uma placa de 60 pinos para placa

64 48 conector, que fornece todas as interfaces de hardware entre o módulo e as placas dos usuários exceto a interface de antena RF. Figura 19 - Modem GSM tato 2 SIM card. O sim340 é projetado com a técnica de redução de consumo de energia, o consumo de corrente no modo sleep é de apenas 2,5 ma. O sim340 está integrado com o protocolo TCP/IP. Comandos AT TCP/IP estendidos são desenvolvidos para os clientes usarem o protocolo TCP/IP com facilidade, que é muito útil em aplicações de transferência de dados [28]. O protocolo TCP (Protocolo de Controle de Transmissão) é um serviço orientado à conexão que provê transferência de dados confiável, controle de fluxo e controle de congestionamento. O IP (Protocolo da Internet) utiliza o modelo de serviço conhecido como serviço de melhor esforço ou de esforço nenhum [26] ALIMENTAÇÃO A alimentação do modem com módulo sim340 é feita através de uma fonte de 12 Vcc. Em alguns caso, a ondulação de tensão em uma transmissão de dados pode causar quedas de tensão, podendo o consumo de corrente a picos típicos de 2 A. Assim, a fonte de alimentação deve ser capaz de fornecer corrente suficiente de até 2A. Durante os testes realizados em laboratório com uma fonte CC de bancada constatouse que a corrente média consumida pelo sistema quando o modem está ligado é de 200 ma, quando o modem está desligado a corrente média consumida pelo sistema é de 30 ma. De acordo com a equação 6.4 e 6.5 quanto menor a corrente média consumida maior será a autonomia do sistema [28].

65 INTERFACE DO CARTÃO SIM Para obter informações no cartão Sim se deve usar comandos AT. A interface do SIM é alimentado por um regulador interno no módulo com tensão nominal 2.8V. Para configurar o SIMCARD utiliza-se o comando AT AT + CSDT [28] SERVIDOR DE BANCO DE DADOS MYSQL MySQL é um servidor de banco de dados SQL (Linguagem de Consulta Estruturada) multiusuário. SQL é a linguagem de banco de dados mais popular no mundo. MySQL é uma implementação cliente-servidor que consiste de um servidor e diferentes programas clientes e bibliotecas. SQL é uma linguagem padronizada que torna fácil o armazenamento e acesso de informações. Por exemplo, pode-se usar SQL para recuperar informações de produtos e armazenar informações de clientes para um site Web. O servidor MySQL é também rápido e flexível o suficiente para permitir armazenar registro de eventos e figuras nele. As principais vantagens do MySQL são velocidade, robustez e facilidade de uso [29] PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS Manipula um número ilimitado de usuários simultâneos; Alta velocidade de execução; Possui APIs C, C++, Eiffel, Java, Perl, PHP, Python e TCL; Trabalha com diferentes plataformas: Unix, Windows, dentre outros. Manipula grandes bancos de dados com vastos volumes de informações, na ordem de registros; Clientes podem conectar ao servidor MySQL utilizando conexões TCP/IP, Unix sockets ou sob o Windows NT [29] A ESTRUTURA Um banco de dados é uma hierarquia de estruturas de dados complexas. Em MySQL, como em muitos outros bancos de dados, o conceito da estrutura que mantém os blocos (ou registros) de informações é chamado de tabela. Estes registros, por sua vez, são cons-

66 50 tituídos de objetos menores que podem ser manipulados pelos usuários, conhecidos por tipos de dados (datatypes). Juntos, um ou mais datatypes, formam um registro (record). Uma hierarquia de banco de dados pode ser considerada como: Banco de dados > Tabela > Registro > Tipo de dados. Os tipos de dados possuem diversas formas e tamanhos, permitindo ao programador criar tabelas específicas de acordo com suas necessidades [29] O SISTEMA DE PRIVILÉGIOS Administrar o servidor MySQL, envolve a manutenção do banco de dados com as configurações do servidor (máquina, usuários e bancos de dados), ou seja, o sistema de privilégios. Pela atribuição de um conjunto de privilégios, um usuário em determinado host (máquina) tem permissão para executar comandos sobre uma base de dados. Estes privilégios estabelecem um conjunto de regras no qual o servidor MySQL se baseia, e estas regras podem ser: permissão para inserir, selecionar, excluir informações de uma tabela, ou criar e modificar tabelas. Portanto, o sistema de privilégio, se resume em três tabelas principais: host, user e db tendo como hierarquia, da mais alta para a mais baixa, a ordem apresentada. A tabela host determina quais os hosts que estão habilitados a acessar o servidor MySQL. A tabela user determina os usuários que podem acessar o servidor e suas senhas de identificação a partir de um host. A tabela db contém as informações relativas a qual banco de dados um usuário de um certo host pode acessar [29] O PHP O PHP, nos dias atuais, é uma das linguagens mais usadas na programação server-side (linguagens que rodam exclusivamente no servidor web). O PHP possibilita o desenvolvimento de páginas web mais interativas e dinâmicas. PHP é uma linguagem de script no lado do servidor embutida no HTML (Linguagem de Marcação de Hipertexto). O código PHP é encapsulado em tags (nome dado aos comandos HTML) especiais de início e fim que permitem alternar para dentro e fora do modo PHP. A maior e mais significante característica em PHP é seu suporte a uma faixa muito ampla de bancos de dados, dentre eles o MySQL. O PHP possui a capacidade de modificar variáveis passadas de formulários HTML, tornando possível a realização de várias tarefas

67 51 como: envio de um baseado em informações de uma página, impressão de páginas personalizadas, passagem e armazenamento de informações em um banco de dados [29] ACESSO A BANCO DE DADOS Para obter o acesso a um banco de dados é necessário ter um banco de dados cadastrado e um usuário com acesso a este banco de dados. Vale lembrar que o MySQL não é um banco de dados, e sim um servidor de dados. A seguir será apresentado o procedimento padrão para usar servidores de banco de dados com o PHP: Conectar ao servidor; Abrir o banco de dados (um servidor SQL pode ter mais de um banco de dados); Enviar os comandos SQL; Desconectar do servidor. O banco de dados utilizado no sistema de aquisição de dados está localizado no seguinte servidor: CONCLUSÃO Neste capítulo fora feita uma revisão geral sobre o modem GSM/GPRS e a utilização de comandos AT. Descreveu-se o modem GSM utilizado no sistema de aquisição. Também fora feita uma introdução ao servidor de banco de dados MySQL e a linguagem de programação PHP. A autonomia deste sistema depende diretamente da gerência na utilização do modem, quanto mais tempo o modem permanecer desligado maior será a autonomia do sistema.

68 52 CAPÍTULO 8 DESCRIÇÃO DO HARDWARE DESENVOLVIDO INTRODUÇÃO Evidencia-se na literatura atual, em aplicações industriais e de monitoramento ambiental, o uso cada vez mais frequentes de técnicas de controle digital via microprocessadores no comando e controle de sistemas. Novas técnicas e equipamentos vêm surgindo em todas as áreas do conhecimento humano. Na Engenharia Elétrica muitos dos admiráveis utensílios, que facilitam e agilizam a vida, trazem embutidas tecnologias, em que as soluções propostas são muitas vezes extremamente sofisticadas, tornando-as possivelmente não implementáveis por métodos clássicos da eletrônica Analógica-Digital, sendo utilizados microprocessadores. Agora, apresenta-se as principais características do hardware do sistema de aquisição desenvolvido e descrevem-se seus principais componentes [30] MICROPROCESSADORES E MICROCONTROLADORES Os microprocessadores, substituiram milhões de transistores nos computadores. São usados principalmente para processamentos complexos e possuem custo relativamente alto. Dentre algumas aplicações estão presentes nos microcomputadores pessoais, em a- parelhos eletrônicos de uso doméstico e nos equipamentos médicos. Este circuito integrado não consegue fazer nada sozinho, pois são necessários outros dispositivos externos para que ele se torne útil. Em um microprocessador deve ser acoplado externamente todo componente necessário para o cumprimento da aplicação. Os microcontroladores, em geral, possuem todos os periféricos necessários em um ú- nico chip. Seu tamanho também é muito pequeno, mesmo contendo vários periféricos como: memórias, barramentos, timer s, portas de comunicação e conversores de sinal analógico para digital. Eles possuem desempenho menor que os microprocessadores, mas são ideais em aplicações que necessitam de menores dimensões, tempo de desenvolvimento e custos [30].

69 53 Este dispositivo é amplamente usado em automação industrial, residencial e predial, eletrodomésticos, brinquedos eletrônicos, sistemas de monitoramento ambiental e em qualquer situação em que seja necessário o controle de um dispositivo de sinais eletrônicos CONVERSÃO A/D E D/A No item 3.5 já foi mencionado sobre o princípio de condicionamento de sinais analógicos. Neste tópico, serão descritos os conversores A/D e D/A de um microcontrolador. Em geral, o conversor A/D está presente internamente nos processadores e controladores de sinais digitais e alguns microcontroladores, mas também existem circuitos integrados dedicados a este fim. Basicamente é um bloco que apresenta portas de entrada e saída. A entrada recebe sinais elétricos de forma contínua e possui uma faixa de tensão de entrada máxima. Nos microcontroladores que possuem um conversor A/D e operam na faixa de 5 V, geralmente a faixa de tensão, aceita sinais elétricos entre [0 V a +5 V]. Existe também o conversor digital-analógico (D/A), que possui todas as características do conversor A/D, os quais diferem apenas porque o D/A transforma um sinal digital em um analógico. Na entrada o sinal é amostrado, a cada intervalo de tempo fixo (determinado pela freqüência de amostragem) e é disponibilizado certo valor que representa o sinal original naquele momento (quantização). Estas características estão relacionadas à precisão do conversor. A informação digital é diferente da sua original contínua em dois aspectos fundamentais: É amostrada porque é baseada em amostragens, ou seja, são realizadas leituras em um intervalo fixo de tempo no sinal contínuo; É quantizada porque é atribuído um valor proporcional a cada amostra [30] PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS O processamento digital de sinais manipula um sinal digitalizado vindo de um sistema contínuo (analógico) que foi amostrado e quantizado. Após a conversão A/D, um sinal contínuo passa a ser representado por um conjunto de valores numéricos discretos (digital). Para que seja processado algum sinal digital, é necessário um sinal físico. Também chamado de sinal real, pode-se citar a temperatura, a intensidade luminosa, a tensão em uma bateria e a pressão atmosférica. Esses sinais são capturados por um transdutor que converte tal sinal físico em sinal elétrico. Desta forma pode-se dividir o processamento digital de sinais nas seguintes etapas: aquisição, amostragem e processamento [30].

70 PRINCIPAIS COMPONENTES DA PLACA DE AQUISIÇÃO DE DADOS MICROCONTROLADOR PIC18F4520 O Microcontrolador PIC18F4520 possui 10 bits de conversão A/D, 13 entradas analógicas multiplexadas, três interrupções externas programáveis. Suas principais características são [31]: Conjunto de instruções otimizadas para compiladores C; de ciclos de gravação em memória de programa Flash; de ciclos de gravação de dados memória EEPROM; Retenção de Dados (Flash / EEPROM): até 100 anos; 32 Kbytes de memória flash de programa; 1536 Bytes de memória RAM; 266 Bytes de memória EEPROM; Registradores de trabalho de 16 bits; Auto-programável sob controle de software; Níveis de prioridade para interrupções; Temporizador Watchdog extendido (WDT); Suporta programação in-circuit. Ampla faixa operacional de tensão: 2.0V a 5.5V Capacidade de drenagem de corrente por pino igual a 25 ma; Três interrupções externas programáveis; Módulo Capture melhorado / Compare / PWM (ECCP); Módulo I2C; Módulo SPI; Módulo UART: Suporta RS-232, RS-485 e LIN 1.2; Conversor A/D de 10 bits de resolução; Dois comparadores analógicos com multiplexação de entrada REGULADOR DE TENSÃO LP2985 O LP2980 é um regulador de tensão de saída fixa projetado para fornecer correntes de 50 ma. Nos projetos alimentados por baterias o LP2980 oferece ótimo desempenho. Suas principais caracteristicas são [32]:

71 55 Baixa queda de tensão na saída; Garante 50 ma na corrente de saída; Capacidade de corrente de pico de 150 ma; Vasta faixa de tensão de alimentação, até 16 V; Proteção de sobretemperatura e proteção de sobrecorrente EEPROM AT24C512 A memória EEPROM AT24C512 fornece bits eletricamente apagávéis e programáveís, organizada em palavras de oito bits cada. O dispositivo pode ser conectado em cascata e permite até quatro dispositivos compartilhando um barramento I2C. O dispositivo é otimizado para uso em muitas aplicações industriais e comerciais, quando baixa potência e tensão são essenciais. Suas principais características são [33]: Baixa tensão de operação padrão; Interface Serial a dois fios; Protocolo de transferência de dados bidirecional; Pino de proteção contra escrita por hardware; Alta Confiabilidade: - Resistência: ciclos de escrita; - Retenção de Dados: 40 anos DESCRIÇÃO DO HARDWARE A placa de aquisição de dados foi confeccionada com componentes SMD (Componentes de Montagem em Superfície), de modo a reduzir o consumo de energia utilizado na alimentação do mesmo, tendo em vista que será alimentado com energia proveniente de baterias. Será utilizada bateria de 12 Vcc para a alimentação, escolha esta se deve ao fato de possibilitar a conexão de sensores que necessitam deste nível de tensão. Há disponíveis duas entradas para interrupções externas, entradas digitais de nível pulsante, onde em uma delas será feita a conexão de um pluviômetro de báscula. Dispõe de duas entradas analógicas para leitura de sinal dos sensores de temperatura provenientes de uma placa de condicionamento de sinal. Os sensores de temperatura utilizados foram o LM35. Há um driver para acionamento e conexão serial com um modem GSM, que é alimentado com 12 Vcc e se comunica por uma porta serial do tipo RS232.

72 56 Duas entradas analógicas deste podem ser usadas como tensões de referência, para sensores que necessitam de níveis de tensão diferente de 0 Vcc a 5 Vcc, ou como entrada analógica comum. O mesmo disponibiliza uma entrada para conexão de um anemômetro, obtendo-se como saída a velocidade do vento em m/s e disponibiliza também uma entrada analógica para medir o ângulo do vento em relação ao norte. Está presente nesta placa de aquisição de dados um driver de memória EEPROM externo, produzindo uma confiabilidade maior ao sistema. Esse fica externo a placa de aquisição e possui uma memória serial EEPROM com comunicação via protocolo I2C. As Figuras 20 e 21 mostram o hardware da placa de aquisição de dados desenvolvida. Figura 20 - Vista superior da placa de aquisição de dados. Figura 21 - Vista inferior da placa de aquisição de dados.

73 FONTE DE ALIMENTAÇÃO DE DATALOGGER A placa de aquisição de dados deve ser alimentada com 12 Vcc (podendo variar de 6 a 13,5 Vcc), através de uma bateria ou outra fonte CC. O regulador de tensão desta placa fornece corrente de até 50 ma e tensão de 5 Vcc na saída. A tensão da bateria é monitorada através de um circuito divisor de tensão conectada a uma entrada analógica do microcontrolador MICROCONTROLADOR. Na figura 22 é apresentado o esquemático do microcontrolador PIC18F4520 juntamente com seu circuito de reset, cristal oscilador, entrada da tensão de programação e três pinos de I/O disponíveis. Pode-se visualizar também o driver para a programação in-circuit. Figura 22 - Microcontrolador PIC18F DRIVER PARA ACIONAR O MODEM GSM. A alimentação do modem GSM é feita em 12 Vcc (a mesma tensão de alimentação do datalogger), através de um driver que tem como entrada o nível lógico de um pino do microcontrolador 0 ou 5 Vcc, fornecendo GND e 12 Vcc para alimentar o modem.

74 ENTRADA ANALÓGICA PARA SENSOR DE TEMPERATURA. Na figura 23 apresenta-se o esquemático da entrada destinada à conexão de sinais provenientes de dois sensores de temperatura e um pino de I/O livre. Mostra-se também uma entrada para alimentar a placa de condicionamento de sinal dos sensores de temperatura. Esta alimentação é feita em 12 Vcc. Figura 23 - Entrada analógica e alimentação da placa de condicionamento de sinal ALIMENTAÇÃO, SAÍDA E PROGRAMAÇÃO IN-CIRCUIT Na figura 24 é apresentado o esquemático de um borne de GND, um borne de 12 Vcc (VBATT), um borne de 5 Vcc e 1 header de programação in-circuit. Os dois bornes de alimentação e o borne de saída estão disponíveis para alimentar outros sensores que poderão ser adicionados ao sistema. Figura 24 - Bornes de alimentação, saída e programação in-circuit ENTRADAS PARA INTERRUPÇÕES EXTERNAS. Na figura 25 mostra-se o esquemático da entrada de interrupção externa destinada à conexão do pluviômetro de báscula.

75 59 Figura 25 - Entrada para o pluviômetro de báscula ENTRADA PARA UM ANEMÔMETRO Na figura 26 é ilustrado o esquemático da entrada destinada à conexão do anemômetro tipo conchas. A entrada disponibiliza GND, 5 Vcc, um pino para medir a velocidade do vento e outro para indicar a posição em relação ao Norte. Figura 26 - Entrada para o anemômetro tipo concha DRIVER DA MEMÓRIA EEPROM. Na figura 27 apresenta-se o esquemático do driver da memória EEPROM externa que está sendo utilizada como buffer no sistema de aquisição de dados. Figura 27 - Driver da memória EEPRON externa.

76 CONCLUSÃO Neste capítulo foi feita uma revisão geral sobre microprocessadores, microcontroladores e conversores A/D e D/A presente nestes. Descreveu-se os principais componentes utilizados na placa de aquisição de dados, dentre eles, o microcontrolador PIC18F4520. Fora apresentada a placa do hardware do sistema, que possui entrada para dois sensores de temperatura LM35, um anemômetro e um pluviômetro de báscula. Esta placa é capaz de monitorar a tensão na bateria de alimentação, se comunica com um modem GSM para a transmissão dos pacotes dos dados e tem suporte para programação in-circuit.

77 61 CAPÍTULO 9 DESCRIÇÃO DO SOFTWARE DESENVOLVIDO E FERRAMENTAS UTILIZADAS INTRODUÇÃO O software desenvolvido para este sistema de aquisição de dados é capaz de processar os sinais de dois sensores de temperatura LM35, indicar velocidade do vento e ângulo em relação ao norte de um anemômetro, contabilizar os pulsos de saída de um pluviômetro de báscula e ler a tensão da bateria do sistema. Neste sistema utilizou-se o microcontrolador PIC18F4520 que se comunica através do protocolo de comunicação RS232 com um modem GSM transmitindo os dados adquiridos para um servidor de banco de dados. No presente capítulo, são descritas as ferramentas de desenvolvimento necessárias para a concretização do software do sistema de aquisição de dados. Também é exposta a lógica de comunicação entre o dispositivo proposto e o banco de dados, para transferência dos dados LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO C A linguagem de programação C tem se tornado cada dia mais popular, devido à sua versatilidade e ao seu poder. Uma das grandes vantagens do C é que ele possui tanto características de alto nível quanto de baixo nível. Um dos grandes atrativos da linguagem C é o balanço atingido entre características próximas da arquitetura de computadores e características de linguagens de programação com alto nível de abstração. A simplicidade de C não restringe, no entanto, a potencialidade de suas aplicações. Blocos desempenhando tarefas muito complexas podem ser criados a partir da combinação de blocos elementares, e este mecanismo de combinação de partes pode se estender por diversos níveis. Esta habilidade de construir aplicações complexas a partir de elementos simples é um dos principais atrativos da linguagem. [30] O sistema desenvolvido utiliza esta linguagem de programação. O compilador utilizado foi o CCS.

78 FERRAMENTAS DE DESENVOLVIMENTO UTILIZADAS COMPILADOR CCS Um compilador é um programa de sistema que traduz um programa descrito em uma linguagem de alto nível para um programa equivalente em código de máquina para um processador. Geralmente, um compilador não produz diretamente o código de máquina, mas sim um programa em linguagem simbólica (assembly) semanticamente equivalente ao programa em linguagem de alto nível. O programa em linguagem simbólica é então traduzido para o programa em linguagem de máquina através de montadores. [34] Alguns compiladores possuem um pré-processamento. Este pré-processamento é responsável por modificar o código-fonte conforme necessidades que o compilador identifique que sejam necessárias, por exemplo, otimização de código. [35] O compilador CCS oferece uma ferramenta integrada de desenvolvimento e depuração de aplicações embarcadas em execução no PIC Microchip, MCUs e DSCs. O centro desse conjunto de ferramentas de desenvolvimento é o código C otimizando o compilador CCS que libera os desenvolvedores para concentrar-se na funcionalidade do projeto, em vez de ter de se tornar um especialista em arquitetura de MCU. A figura 28 ilustra a interface do compilador CCS com a percentagem de memória RAM (15%) e ROM (46%) utilizada pelo software desenvolvido. [36] Figura 28 - Interface do compilador CCS.

79 63 Este compilador fora selecionado por ser bastante acessível, produzir arquivos compilados de tamanho reduzido, e produzir arquivos de debugging compatíveis com a ferramenta de testes e simulação PROTEUS PROTEUS 7.4 A ferramenta PROTEUS possibilita a simulação de sistemas microprocessados, confecção de simulações complexas e testes de projetos bem semelhantes ao sistema real. Na figura 29 pode-se visualizar o esquemático do circuito utilizado para simular o sistema de aquisição de dados no PROTEUS. Figura 29 - Esquemático do sistema de aquisição de dados simulado no PROTEUS.

80 64 Com esta ferramenta, fora possível simular e realizar a execução passo a passo de todo o código que fora desenvolvido, facilitando o desenvolvimento e remoção de erros do código fonte. Também fora possível realizar os testes de comunicação com modem GSM. Esta ferramenta possibilitou um grande avanço no desenvolvimento do software do sistema de aquisição de dados FERRAMENTA DE PROGRAMAÇÃO UNIVERSAL Para realizar a programação do sistema, fora utilizado o programador universal, fabricado pela empresa Wellon, porém outras ferramentas compatíveis poderiam ser utilizadas, pelo fato do projeto proposto ter utilizado uma interface de programação In-circuit, que possibilitou a programação de forma simples e sem a necessidade da remoção do componente do microprocessador. Essa característica é importante, pois ao possibilitar a programação in-circuit, a programação em massa é simplificada, e a possibilidade de utilização de componentes em montagem de superfície torna-se bastante atrativa SOFTWARE DESENVOLVIDO O software desenvolvido em linguagem C para este sistema de aquisição de dados é capaz de processar os sinais de dois sensores de temperatura LM35, ler a tensão da bateria do sistema, contabilizar os pulsos gerados por um pluviômetro de báscula e indicar velocidade do vento e ângulo em relação ao norte de um anemômetro. O microcontrolador utilizado é o PIC18F4520 que se comunica através do protocolo de comunicação RS232 com um modem GSM transmitindo os dados adquiridos para um banco de dados localizado em um servidor de banco de dados MySQL. Ao inicializar, o sistema de aquisição de dados realiza as configurações iniciais do microcontrolador: configura o timer 0 e o timer 1, habilita as interrupções externas e seleciona as entradas analógicas e digitais. Depois espera-se o tempo de 1 segundo para estabilizar o sistema. Depois, realiza-se a rotina de atualização de data e hora do sistema de aquisição de dados, que funciona da seguinte maneira: calcula-se as médias dos sensores analógicos (2 sensores de temperatura, o ângulo do anemômetro e a tensão na bateria do sistema de aquisição), em seguida, liga-se o modem e inicia-se a sua comunicação com o sistema de aquisição. De-

81 65 pois se realiza a conexão do modem com a operadora de telefonia previamente escolhida, se a conexão for realizada com sucesso, acessa-se o servidor do banco de dados atualizando a data e hora do sistema de aquisição de dados. Se a tensão na bateria do sistema for menor que 11,20 V não será realizada a transmissão de dados, pois este nível de tensão indica uma profundidade de descarga de 80% para a bateria que está sendo utilizada neste sistema de aquisição. Se a tensão na bateria do sistema for maior que 11,20 V a transmissão de dados será realizada. A transmissão é feita da seguinte maneira: realiza-se uma amostra a cada dois segundo, a cada 30 amostras realizadas efetua-se uma média de cada variável monitorada criando um pacote de dados. Cada pacote de dados será armazenado na memória EEPROM externa. Após o armazenamento do décimo (ou qualquer valor entre um e 8191) pacote, liga-se o modem e inicia-se a sua comunicação com o sistema de aquisição. Depois se realiza a conexão do modem com a operadora de telefonia previamente escolhida, se a conexão for realizada com sucesso, acessa-se o servidor do banco de dados e envia cada pacote de dados armazenado na memória EEPROM externa para o banco de dados na internet. Após a transmissão do décimo pacote a data e a hora do sistema de aquisição de dados são atualizadas pela data e hora do servidor, em seguida, o modem é desligado. Caso o sistema não consiga efetuar a transmissão dos dados, inicia-se outro ciclo de armazenamento de pacotes de dados na memória EEPROM e após armazenamento de mais dez pacotes de dados, liga-se o modem e inicia-se a sua comunicação com o sistema de aquisição. Depois se realiza novamente a conexão do modem com a operadora de telefonia previamente escolhida, se a conexão for realizada com sucesso, acessa-se o servidor do banco de dados e envia cada pacote de dados armazenado na memória EEPROM para o banco de dados na internet. Após a transmissão do décimo pacote o modem é desligado. E assim sucessivamente. Na figura 30 é apresentado um fluxograma com a lógica contida no sistema de aquisição de dados desenvolvido.

82 66 Figura 30 - Fluxograma com a lógica do sistema de aquisição CONCLUSÃO Neste capítulo foi feita uma revisão geral sobre linguagem de programação C, compilador CCS e a ferramenta PROTEUS. Fora apresentada uma breve explanação sobre lógica contida no código principal. O software desenvolvido é capaz de se recuperar quando ocorrem falhas na comunicação do sistema de aquisição com o modem GSM e na comunicação do modem GSM com o servidor de banco de dados. Cada pacote de dados proveniente dos sensores (anemômetro, pluviômetro e LM35) é armazenado e transmitido de forma confiável.

83 67 CAPÍTULO 10 RESULTADOS DE TESTES EM CAMPO E ANÁLISE FINANCEIRA INTRODUÇÃO No presente capítulo, é feita a análise do desempenho do sistema de aquisição de dados para os três primeiros dias de testes em campo. São apresentados os gráficos das variáveis medidas para um dia inteiro de aquisição, além de uma análise financeira do sistema desenvolvido, comparando-o com outros sistemas presentes no mercado RESULTADOS DE TESTES EM CAMPO O sistema de aquisição de dados desenvolvido, que pode ser visualizado na figura 31, foi instalado na sede da Defesa Civil e Guarda Municipal de Fortaleza, situada na Rua Delmiro de Farias, Nº 1900, Bairro Rodolfo Teófilo, cidade de Fortaleza-CE. O sistema foi instalado em campo aberto distante de obstáculos que poderiam afetar as medições de precipitação e dos ventos. Este fora instalado em 09 de maio de 2011 (segunda-feira) e ligado por volta de 13:00h. Figura 31 - Sistema de aquisição de dados instalado.

84 68 A seguir, são apresentados os relatórios finais (ver figuras 31, 32 e 33) exibidos no banco de dados para os três primeiros dias em campo. O sistema realizou aquisições conforme o esperado: A precipitação horária pode ser visualizada na variável: Pluviometro Hora(mm); A precipitação diária pode ser visualizada na variável: Pluviometro Dia(mm); A velocidade do vento pode ser visualizada na variável: Velocidade do Vento (m/s); O ângulo do vento pode ser visualizado na variável: Angulo do Vento- Norte(º); A temperatura do sistema de aquisição pode ser visualizada na variável: Temp. do Equip. (ºC); A temperatura ambiente pode ser visualizada na variável: Temp. Ambiente(ºC); A hora do sistema de aquisição pode ser visualizada na variável: Hora do PIC; A data do sistema de aquisição pode ser visualizada na variável: Data do PIC; A tensão na bateria do sistema pode ser visualizada na variável: Bateria do PIC; O número de amostras pode ser visualizado na variável: N; O número de falhas diárias na conexão com o servidor pode ser visualizada na variável: R; De com a figura 32 a precipitação na cidade de Fortaleza-CE no dia 09/05/2011 foi de 21,5 mm. Figura 32 - Relatório final do dia 09/05/ ,7 mm. De com a figura 33 a precipitação na cidade de Fortaleza-CE no dia 10/05/2011 foi de

85 69 Figura 33 - Relatório final do dia 10/05/ ,6 mm. De com a figura 34 a precipitação na cidade de Fortaleza-CE no dia 11/05/2011 foi de Figura 34 - Relatório final do dia 11/05/2011. A seguir, são apresentados os gráficos das variáveis medidas para um dia inteiro de aquisição (11/05/2011).

86 00:00:33 01:15:46 02:30:40 03:43:31 04:55:11 06:09:11 07:24:42 08:42:19 10:19:08 11:46:04 13:11:17 14:39:40 16:09:01 17:30:55 18:48:07 20:04:01 21:25:08 22:37:33 23:53:13 Temperatura ºC CC 00:00:33 01:15:46 02:30:40 03:43:31 04:55:11 06:09:11 07:24:42 08:42:19 10:19:08 11:46:04 13:11:17 14:39:40 16:09:01 17:30:55 18:48:07 20:04:01 21:25:08 22:37:33 23:53:13 Precipitação mm c 70 Precipitação em Fortaleza (11/05/2011) 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Hora do sistema Figura 35 - Gráfico de precipitação diária. Analisando-se a figura 35 percebe-se que houve precipitação nas duas primeiras horas do dia, em seguida, nenhuma precipitação foi registrada durante o período da manhã e da tarde, caracterizada pela não variação do valor da Precipitação. Próximo das 20 horas voltou a precipitar, totalizando uma chuva de 13,6 mm ao final do dia. Temperatura em Fortaleza (11/05/2011) Temp. do sistema Temp. ambiente Hora do sistema Figura 36 - Gráfico de temperaturas. Analisando-se a figura 36 percebe-se que durante a madrugada a temperatura do sistema é próxima à temperatura ambiente que é aproximadamente 24 ºC. Durante o período da manhã até próximo às 16 horas a temperatura ambiente registrada pelo sensor de temperatura

87 00:00:33 01:15:46 02:30:40 03:43:31 04:55:11 06:09:11 07:24:42 08:42:19 10:19:08 11:46:04 13:11:17 14:39:40 16:09:01 17:30:55 18:48:07 20:04:01 21:25:08 22:37:33 23:53:13 Velocidade m/s m/s 71 externo é maior que a temperatura do sistema, chegando a picos de 37º C próximo ao meiodia, sendo que as maiores temperaturas registradas para o sistema foram em torno de 31 ºC. Depois de 16 horas até aproximadamente 20 horas a temperatura do sistema se manteve próxima à temperatura ambiente. Às 20 horas percebe-se que a temperatura ambiente ficou abaixo da temperatura do sistema, neste período ocorreu a precipitação noturna. Passada a precipitação noturna, a temperatura ambiente voltou a ser um pouco maior que a temperatura do sistema e ficou em torno de 25 ºC. Velocidade do vento em Fortaleza (11/05/2011) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Hora do sistema Figura 37 - Gráfico de velocidade do vento. Analisando-se a figura 37 percebe-se o caráter intermitente do vento ao longo do dia. Durante a maior parte do dia a velocidade do vente registrada ficou entre 0,5 e 2,0 m/s. Alguns picos próximos a 3 m/s foram registrados durante a manhã e durante a precipitação noturna. Próximo à meia-noite a velocidade média do vento é bastante baixa.

88 00:00:33 01:15:46 02:30:40 03:43:31 04:55:11 06:09:11 07:24:42 08:42:19 10:19:08 11:46:04 13:11:17 14:39:40 16:09:01 17:30:55 18:48:07 20:04:01 21:25:08 22:37:33 23:53:13 Tensão V V 00:00:33 01:25:36 02:40:59 04:00:40 05:20:31 06:36:31 07:59:29 09:31:28 11:15:00 12:48:17 14:19:38 15:50:29 17:24:52 18:48:07 20:10:30 21:36:18 22:57:56 23:59:46 Ângulo (º) k 72 Ângulo do vento em relação ao Norte em Fortaleza (11/05/2011) Hora do sistema Figura 38 - Gráfico do ângulo do vento. Analisando-se a figura 38 percebe-se que durante a maior parte do dia os ventos sopraram com ângulos entre 90º e 225 º. Utilizando-se a rosa-dos-ventos estes ventos situam-se entre as direções Leste (90º) e Sudoeste (225º). Tensão na bateria do sistema (11/05/2011) 12,8 12,6 12,4 12, ,8 11,6 Hora do sistema Figura 39 - Gráfico da tensão na bateria. Analisando-se a figura 39 percebe-se que durante a madrugada até próximo às 7 horas a tensão na bateria do sistema decresce até próximo de 12 V. A partir das 7 horas até próximo ás 18 horas a bateria do sistema esta sendo carregada pelo painel solar e próximo ao meio-dia sua tensão atinge valores máximos em torno de 12,8 V. Após as 18 horas não há energia solar

89 00:00:33 01:15:46 02:30:40 03:43:31 04:55:11 06:09:11 07:24:42 08:42:19 10:19:08 11:46:04 13:11:17 14:39:40 16:09:01 17:30:55 18:48:07 20:04:01 21:25:08 22:37:33 23:53:13 Nº de falhas n 73 suficiente para se obter geração de energia elétrica através do painel solar, assim o controlador de carga o retira do sistema e a tensão na bateria começa a decrescer novamente, mas não atinge 11,2 V (tensão para PD de 80%) antes do término do dia. Percebe-se que a tensão no final do dia é próxima da tensão no inicio do dia que é aproximadamente 12,1 V. Registro de falhas na conexão (11/05/2011) Hora do sistema Figura 40 - Gráfico de registro de falhas na conexão. Analisando-se a figura 40 percebe-se que o período do dia em ocorreu a maior parte das falhas na conexão foram entre 8 e 16 horas. Vale ressaltar que estas falhas não indicam perda de dados, pois durante uma falha na conexão os dados estão sendo armazenados na memória EEPROM externa, mas podem representar os períodos de maior fluxo de dados na rede. Depois das 22 horas praticamente não ocorreram falhas na conexão e transmissão de dados para o banco de dados COMPARATIVO A seguir será apresentada uma comparação entre a medição de chuva obtida pela FUNCEME (estação Pici) referente ao dia 03/06/2011, ver tabela 2; e a medição de chuva obtida pelo sistema de aquisição de dados desenvolvido também referente ao dia 03/06/2011, ver tabela 3. A FUNCEME faz o registro de seus dados pluviométricos às 07h00min e para fazer a comparação utilizou-se o registro das 6h59min (do dia 04/06/2011) do sistema desenvolvido o qual contém toda a contagem de chuva do dia anterior.

90 74 Tabela 2 - Chuvas diárias registradas no litoral de Fortaleza referentes ao dia 03/06/2011 [37]. Tabela 3 - Chuva registrada pelo sistema de aquisição de dados desenvolvido referente ao dia 03/06/2011. De acorde com a tabela 2 a chuva registrada na cidade de Fortaleza (estação Pici) pela FUNCEME foi de 48,0 mm. De acorde com a tabela 3 a chuva registrada na cidade de Fortaleza (estação Rodolfo Teófilo) pelo sistema desenvolvido foi de 46,3 mm. Os resultados obtidos foram ótimos, pois apesar da distância de aproximadamente 4 km entre os postos de medição os resultados obtidos foram muito próximos. Vale ressaltar que comumente dados de precipitação pluvial apresentam variação com a distribuição espacial [38].