PROJETO DE PLATAFORMA SENSORIAL COMO ALTERNATIVA DE BAIXO CUSTO NO MONITORAMENTO DE GASES POLUENTES EM CERÂMICAS Alessandra R. Silva 1 (M), Marcelly L. C. Pacheco (M) 1, Tamiris de S. Rangel (M) 1 e Renato G. S. Barcellos 1 1 Instituto Federal Fluminense IFF, Campos dos Goytacazes RJ, tamiris.dsrangel@gmail.com Resumo: A emissão de gases poluentes na atmosfera pode resultar em impactos ambientais de diferentes graus. Quando relacionada às indústrias, a emissão pode ocorrer devido à alguma etapa do processo ou ser influenciada por fatores como a falta de controle operacional, mão de obra desqualificada e tipo de combustível e forno utilizados. Na indústria ceramista existe uma demanda por equipamentos de baixo custo para a medição desses poluentes, visto que é um setor constituído, principalmente, por empresas de pequeno e médio porte, com pequenos investimentos para tecnologias. Desta forma, este trabalho visa desenvolver um equipamento protótipo para monitoramento ambiental, para a medição de monóxido e dióxido de carbono, temperatura e umidade, através de uma estrutura que permita a disposição dos dados via Internet. Com isso, além de monitorar para aumentar a qualidade do processo, a plataforma busca atender às normas ambientais e contribuir para a qualidade de vida, próximo às cerâmicas. Palavras-chave: Cerâmica vermelha; Monitoramento ambiental; Rede de sensores. Sensorial Platform design as a low-cost alternative in the monitoring of polluting gases in ceramics Abstract: This work aims to develop a low-cost prototype equipment, for the measurement of the gases emitted in the ceramic industry and allows the disposal of the data via Internet. Keywords: Red ceramics; Environmental monitoring; Network of sensors. Introdução Os avanços tecnológicos dos últimos anos têm proporcionado melhores condições de diversos ambientes industriais com a introdução de equipamentos mais modernos para controle, registro e monitoramento das condições ambientais. Existem diversos sistemas e equipamentos, com finalidades específicas, envolvendo o monitoramento ambiental. No entanto, muitos desses sistemas e equipamentos disponíveis no mercado possuem custo elevado, o que normalmente inviabiliza sua utilização em larga escala (da Silva, 2013). Além disso, muitos sistemas e equipamentos para este fim são importados, o que dificulta ainda mais a sua inserção em indústrias de pequeno e médio porte. Frequentemente, a falta de orientação ou informação sobre tecnologias alternativas de baixo custo que apresentam soluções similares àquelas de difícil aquisição (devido, principalmente, ao seu elevado custo), configura-se como um fator crítico que dificulta ou até mesmo impossibilita os avanços necessários em diversos arranjos produtivos, a exemplo do setor de cerâmica vermelha. O setor de cerâmica é constituído por dois subsetores bem distintos - cerâmica branca e cerâmica vermelha. O primeiro é composto de empresas que atuam em linhas de produtos de maior conteúdo tecnológico e valor agregado, tais como pisos, azulejos, louça de mesa, louça sanitária, refratários e outros. O segundo subsetor, a cerâmica vermelha, é composto de produtores de artigos de menor exigência técnica e de menor valor, como blocos, tijolos e telhas, empregados na construção civil (Henriques Junior, 2010). No caso polo cerâmico do Município de Campos dos Goytacazes, no Estado do Rio de Janeiro, o setor ceramista apresenta-se como uma de suas mais importantes
atividades econômicas, congregando mais de cem empresas produtoras, as quais geram, mensalmente, cerca de noventa milhões de peças, entre telhas, tijolos e lajotas, respondendo por aproximadamente três mil empregos diretos (Ramos et al., 2008). Embora apresente enorme relevância para economia da região, a inserção de avanços tecnológicos no setor ainda é um desafio. O monitoramento da temperatura dos fornos durante a queima dos tijolos e telhas de cerâmica vermelha tem grande importância para o ciclo produtivo da indústria. Por causa disso, ainda que de forma rudimentar, o monitoramento de temperatura é realizado na maioria das cerâmicas da região. No entanto, essa realidade não se aplica ao monitoramento dos gases estufa emitidos durante a queima do material cerâmico. Nesse caso, os custos para aquisição e manutenção dos equipamentos para monitoração dos gases configuram-se como as principais barreiras para esta prática. Todavia, este problema pode ser solucionado a partir do desenvolvimento de equipamentos de baixo custo e de fácil implantação para atender as demandas de monitoramento do setor ceramista e desse modo aproximá-lo dos avanços tecnológicos necessários para sua manutenção competitiva no mercado. Tendo em vista a demanda por inserção de tecnologia no setor de cerâmica vermelha de Campos dos Goytacazes, este trabalho descreve o desenvolvimento, projeto, testes e aplicação de um sistema para monitoramento em tempo real de gases emitidos na queima de produtos cerâmicos. O sistema tem como característica principal o baixo custo e a fácil implementação. As plataformas Arduino e Raspberry foram utilizadas para aquisição e monitoramento dos dados dos sensores. Como resultado, as informações sobre o volume de gases emitidos na queima poderão possibilitar a projeção de melhores estratégias de produção e desse modo auxiliar nas tomadas de decisão. Experimental O desenvolvimento do sistema proposto neste trabalho compreende os seguintes estágios: 1º - montagem da estrutura e descrição da linguagem de programação; 2º - realização de conjunto de testes para coletar os dados em pontos relevantes para o estudo; 3º - comparação dos dados obtidos com os dados já existentes na literatura, a fim de avaliar a viabilidade do sistema desenvolvido e propor melhorias. Este trabalho tem enfoque no primeiro estágio, com objetivo de desenvolver um sistema de sensores para a medição de gases poluentes, com acesso aos dados via Internet, considerando os cenários presentes em indústrias ceramistas. Desta forma, a metodologia pode ser descrita através das seguintes etapas: construção da estrutura do protótipo, programação dos sensores e comunicação com plataforma responsável pelo envio dos dados para a Web. Montagem do Sistema Para a construção da plataforma sensorial foi necessário, primeiramente, escolher os gases que seriam monitorados, os sensores para medição dos gases e a ferramenta de aquisição de dados. Considerando as atividades realizadas na indústria ceramista, optou-se por medir os seguintes gases (Grigoletti, 2001; Nunes e Resende, 2013): monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2), resultantes do processo da queima parcial e total, respectivamente. Além disso, optou-se por inserir no sistema elementos para medição da temperatura e umidade locais. Assim sendo, os sensores foram escolhidos considerando suas sensibilidades às variáveis de medição, performance e baixo custo de mercado. Os sensores utilizados foram: MQ-2 (medição de CO, na faixa de 300 a 10.000 ppm), MQ-7 (medição de CO, na faixa de 20 a 2.000 ppm), MQ-135 (medição de CO2) e DHT-11 (medição de temperatura, na faixa de 0 a 50 C e de umidade, na faixa de 20 a 90%UR). Em conjunto foram adicionados os elementos RTC DS1307 (relógio em tempo real com calendário completo) e o módulo cartão SD card (módulo que permite a leitura e a escrita dos dados em cartão SD, através de sua ligação com um microcontrolador). Para a criação do sistema, os sensores foram conectados ao microcontrolador Arduino Uno, visto que esta ferramenta é a mais comumente utilizada, possuindo baixo custo e fácil acesso para a
elaboração de códigos de programação. Esse dispositivo será responsável pela aquisição de dados dos sensores (DAQ). Programação Após a ligação dos componentes na placa do Arduino Uno, a próxima etapa consistiu em desenvolver a programação para calibragem dos sensores e para obtenção dos dados medidos em unidade de engenharia. A programação foi realizada na plataforma do Arduino e considerou as informações fornecidas pelo Datasheet dos elementos e as bibliotecas disponíveis. Ressalta-se que para o sensor MQ-2 foi utilizado o programa de calibração disponibilizado pelo Sandbox Eletronics (2014). Por fim, estabeleceu-se uma comunicação entre o Arduino Uno e o Raspberry Pi. O Raspberry Pi consiste em um computador com alto desempenho e é responsável por armazenar os dados gerados pelos sensores e enviar os mesmos para uma plataforma Web, de forma que possam ser acessados via Internet. O modelo do Raspberry Pi utilizado neste trabalho foi o Pi 2 modelo B. Resultados e Discussão A arquitetura desenvolvida neste trabalho está representada na Fig. 1. Nela, pode-se verificar as ligações entre os sensores e módulos com a placa de Arduino Uno e a comunicação entre as plataformas. Figura 1 Arquitetura do trabalho. A comunicação entre o Arduino Uno e o Raspberry Pi é feita por meio da porta serial - utilizando um cabo USB os dados capturados pelo Arduino são transmitidos para o Raspberry Pi. Para que a comunicação seja habilitada é preciso desenvolver um código relativamente simples, cuja linguagem de programação escolhida para este fim foi a linguagem Python. O código desenvolvido para realizar essa comunicação está descrito na Fig. 2. Figura 2
Código para leitura serial. Uma vez que os dados dos sensores conectados ao Arduino são transmitidos para o Raspberry Pi por meio da porta serial, o servidor Web, mediante solicitação, disponibiliza os dados dos sensores ao usuário final por meio do protocolo TCP/IP. A finalização desta etapa configura este trabalho como sendo uma implementação IoT (ou Internet das coisas). Para que os dados pudessem ser disponibilizados na web, um servidor Web foi desenvolvido e alocado no Raspberry Pi, utilizando o framework Flask. Este framework provê um modelo simples para desenvolvimento web e deve ser importado no Python. Ao final, após o desenvolvimento do sistema protótipo, foram realizados testes a partir da exposição do sistema aos gases de CO e CO2, emitidos por dois veículos automotores, do mesmo modelo (Corsa), sendo um de 2007, com motor 1.8 e o outro de 2013, com motor 1.4. As medições ocorreram no mesmo dia, considerando as mesmas condições do ambiente (temperatura e umidade), em duas faixas de dez minutos. A Fig. 3 apresenta o gráfico com os resultados dos testes, para as emissões de dióxido de carbono, visto que não foram detectadas emissões de monóxido de carbono. Figura 3 Resultado dos testes de exposição do sistema desenvolvido aos gases de CO 2. Verifica-se que o sistema foi capaz de identificar a presença das concentrações de CO2, através do sensor MQ-135. Entretanto, as concentrações de CO não foram detectadas pelos sensores MQ-2 e MQ-7. Isto indica que as emissões de monóxido de carbono, pelos dois carros, apresentavam concentrações do gás abaixo das faixas de medição dos sensores, isto é, menores que 20 ppm (valor mínimo medido pelo sensor MQ-7).
Conclusões O monitoramento de variáveis em indústrias facilita o entendimento sobre o processo produtivo, pois enfatiza seus pontos fortes e fracos. Isso torna as oportunidades de melhorias mais visíveis e impacta diretamente na tomada de decisão. No caso das indústrias de cerâmica vermelha, sistemas para monitoramento a custos acessíveis podem diminuir a barreira tecnológica no setor e impactar em melhor qualidade do processo produtivo. A proposta deste trabalho consiste em apresentar os esforços inicias para o desenvolvimento de sistema para monitoramento de gases poluentes em cerâmicas. Nesse caso, o primeiro estágio da metodologia foi realizado, cujo foco manteve-se na montagem da estrutura e na programação do sistema. Propõe-se como trabalhos futuros, a realização dos próximos estágios, através da disposição do sistema em cerâmicas, para que a coleta de dados das emissões dos gases relativos à queima seja realizada, e com isso, seja possível verificar a viabilidade do sistema através da comparação destes dados com os dados já existentes da literatura. Desta forma, será possível verificar pontos para melhorias. Agradecimentos Agradecemos ao professor Renato Gomes Sobral Barcellos e a equipe do Pólo de Inovação em Instrumentação e Monitoramento Ambiental, do Instituto Federal Fluminense, pelo apoio que forneceram para a realização deste trabalho. Referências Bibliográficas Grigoletti, Giane de Campos. 2001. Caracterização de impactos ambientais de indústrias de cerâmica vermelha do estado do Rio Grande do Sul. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul. http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/1753/000307557.pdf. Henriques Junior, Mauricio Francisco. 2010. Potencial de redução de emissão de gases de efeito estufa pelo uso de energia no setor industrial brasileiro. Rio de Janeiro: Universidade Federal do Rio de Janeiro. http://www.ppe.ufrj.br/ppe/production/tesis/mauricio_junior.pdf. Nunes, Antônio Carlos Nepomuceno, e Sérgio da Silva Resende. 2013. Guia técnico ambiental da indústria de cerâmica vermelha. FIEMG - Federação das Indústrias do Estado de Minas Gerais / FEAM - Fundação Estadual do Meio Ambiente de Minas Gerais. http://www.feam.br/images/stories/producao_sustentavel/guias_tecnicos_ambient AIS/guia_ceramica.pdf. Ramos, I. S., J. Alexandre, M. G. Alves, V. Vogel, e M. Gantos. 2008. The red ceramic industry in Campos dos Goitacazes and the social inclusion of artisans from Baixada Campista through the Caminhos de Barro project. Cerâmica 54 (331): 280 86. doi:10.1590/s0366-69132008000300003. Sandbox Electronics. 2014. MQ-2 Smoke/LPG/CO Gas Sensor Module. http://sandboxelectronics.com/?p=165. Silva, Marcel Salvioni da. 2013. Rede de sensores sem fio de baixo custo para monitoramento ambiental. Campinas: Universidade Estadual de Campinas.