O surgimento e avanço das tecnologias no setor de eletrônica e computação vêm com o intuito de facilitar o dia a dia da sociedade, dando conforto e segurança em qualquer ambiente, com a capacidade de tornar dispositivos antes meramente passivos, uma vez que somente recebiam comandos, em dispositivos ativos capazes de controlar e informar sobre as suas condições de funcionamento. Por isso, este trabalho surgiu com o objetivo de desenvolver um protótipo capaz de detectar vazamento e temperatura da botija de gás. A contribuição deste projeto ocorre em descrever e partilhar conhecimentos da integração de sensores, microcontroladores e indicadores em aplicações de dispositivos domésticos para prover segurança.
Abstract
The emergence and advancement of technologies in the electronics and computer industry come in order to facilitate the daily life of society, giving comfort and safety in any environment, with the ability to make devices before merely passive, that only received commands, in active devices able to monitor and report on their operating conditions.
Therefore, this study aims to develop a prototype capable of detecting leakage and temperature of the gas cylinder. The contribution of this project is to describe and share knowledge of sensor integration, microcontrollers and indicators on household device applications to provide security.
INTRODUÇÃO
O avanço da tecnologia facilitou a conexão de vários objetos do cotidiano da sociedade, aplicados em ambientes industriais, comerciais e residenciais, promovida pela produção de sensores, equipamentos de comunicação sem fio e microcontroladores.
O monitoramento de objetos e de muitas outras coisas tornou-se importante, pois traz conforto e segurança ao homem. No caso de uma residência, o monitoramento de botijas de gás pode evitar explosões, visto que existem vários casos desses acidentes no mundo [1].
Este trabalho será destinado ao desenvolvimento de um modelo de dispositivo doméstico que executa o monitoramento de botija em cozinhas residenciais, capaz de detectar vazamento e temperatura por meio de sensores e de enviar as informações através de transmissores de RF ao equipamento que informa as situações.
O trabalho aborda as características dos sensores utilizados no dispositivo, o funcionamento dos módulos de rádio frequência, o esquema elétrico da montagem e a codificação para o processo de funcionamento na plataforma de prototipagem arduino.
1. INTERNET DAS COISAS – IoT
A Internet das coisas (Internet of things -IoT) é uma infraestrutura recém chegada que integra a internet com os objetos do cotidiano, permitindo a comunicação entre o mundo virtual e o mundo real, trata-se de um novo conceito de comunicações, onde os objetos ganham vida atuando no seu ambiente [2].
A IoT também pode ser chamada de M2M, computação Ubíqua, IoE, computação Pervasiva, etc. A ponto de que todos esses termos possuem a mesma realidade.
“As tecnologias mais profundas são aquelas que desaparecem. Tecem-se no tecido da vida cotidiana, até que sejam indistinguíveis dele.”
Mark Weiser (1952-1999)
A comunicação entre máquinas é denominada M2M (Machine-to-Machine), conectividade usada para fornecer comunicação em tempo-real, ela recebe informações tanto com fio quanto sem fio para permitir a comunicação e execução de atividades necessárias no controle e automação de sistemas sem que haja intervenção humana. Este é um dos segmentos da indústria móvel que mais crescem no mercado, vários reguladores de telecomunicações já estão registrando as linhas M2M como um segmento separado.
Computação Ubíqua (Ubiquitous Computing ou Ubicomp), também pode ser chamada de Computação Pervasiva, é algo que está ou pode estar em toda parte ao mesmo tempo, onipresente; é a infiltração direta e constante da informática e tecnologia no meio da humanidade, em suas casas, no trabalho e ambientes de convívio social [3].
Hoje em dia, mais objetos estão ligados entre si do que pessoas no mundo, isso acontece pelo grande avanço tecnológico que cresce rapidamente, e a comunicação sem fio
vem se tornando uma grande aliada à automação.
A rede que antigamente servia apenas para comunicar pessoas distantes ainda chegaria ao que conhecemos hoje como IoT, além desta comunicação, sensores e microssensores
também ganham espaço cada vez mais nesse avanço. Exemplos de uso de sensores sem fio estão em GPS, Altitude, Umidade, Pressão, Aceleração. Conectando o mundo físico com a internet, onde a tecnologia tem crescido exponencialmente e deixado nossos dispositivos cada vez mais inteligentes e conectados ocupando um grande tráfego de dados móveis.
Na Figura 2 é possível visualizar um gráfico que demonstra o aumento no uso da internet a partir de diferentes dispositivos onde a internet das coisas apresenta-se entre as de maior consumo.
Com sensores sem fio os objetos podem reconhecer o ambiente e se comunicar, eles se transformam em instrumentos poderosos para compreender coisas complexas e responder a elas com eficiência. Embora tais objetos inteligentes possam interagir com humanos, é mais interessante que interajam entre si automaticamente, sem que haja intervenção humana.
De acordo com o trabalho mostrado no site da empresa Koubachi [4], o conceito IoT foi utilizado para prover sensoriamento de plantas e identificar o que a planta necessita, em um projeto chamado de Koubachi Plant Sensor.
O sensor mede a humidade do solo, a temperatura e intensidade da luz, os dados recolhidos na planta pelo sensor podem ser acessados em qualquer lugar e a qualquer momento em aplicativo para dispositivos móveis e no site da empresa que os armazena gratuitamente na nuvem. Na Figura 3 é vista algumas somas de dados que resultam em um acompanhamento em dispositivos.
O avanço da tecnologia também facilitou o monitoramento remoto de animais silvestres, uma ferramenta com a qual pesquisadores obtêm informações sobre os hábitos e movimentos de espécies animais na natureza, com mínima interferência humana [5].
Os sistemas de rastreamento podem ser via satélite onde o acompanhamento é feito em qualquer lugar por computador, via rádio sendo o mais comum e barato, e o GPS que recentemente foi implantada nesse sistema. A figura 4 ilustra duas coleiras utilizadas.
O conceito IoT abrange várias outros setores, exemplo de uma Casa Inteligente como da Figura 5, onde o morador pode controlar remotamente tanto a parte interna como externa de sua residência, acender e apagar lâmpadas, ligar e desligar aparelhos de ar condicionado e observar a casa em um aparelho de Smartphone, além de outras aplicações.
Todos os equipamentos da casa podem estar conectados a uma rede dando conforto e segurança aos moradores.
Para o uso da internet, computadores e aparelhos precisam de protocolos para se conectar, desde a criação da rede é utilizado os protocolos IPv4 Protocol version 4, o qual trata-se de um protocolo que permite que nossos aparelhos façam conexão com a internet, podendo ser smartphones, PC e outros. Ele fornece a cada conexão um endereço de protocolo de 32 bits para enviar e receber dados de outros que estiverem conectados.
Com o passar do tempo e o crescimento da gama de dispositivos que utilizam de IPv4 para prover acesso a internet tornou-se necessário a criação de um novo tipo de protocolos uma vez que o atual já esta previsto o alcance de seu range máximo. Assim, surgiu o IPv6 fornecendo novas combinações numéricas e um maior range de endereços.
IPv4 -> 232 =4.294.967.296
IPv6 -> 2128 =340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.770.000.000
Na demonstração acima verifica-se a quantidade de vezes que se poderia utilizando o IPv4 e a quantidade de vezes que se poderá atribuir protocolos a partir de endereços únicos IPv6, aos 50.000.000.000 equipamentos estimados para que estejam ligados em 2020.
Mediante a toda essa mudança, existem outras formas de comunicação que não é necessário o uso de protocolos IP (Internet Protocol), são dispositivos e sistemas de diversos contextos como casas e prédios inteligentes, monitoramento de maquinário, gerenciamento de galpões, homecare, que entram no segmento M2M e que se comunica entre si utilizando apenas Rádio Frequência. Eles não utilizam porque a comunicação deles é intra-redes, ou seja, não necessita comunicação com a internet.
2. TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE RÁDIO
No início das comunicações em longas distâncias era utilizado um meio material para a transmissão das informações, meios que foram melhorados ao longo da evolução da
tecnologia, mas ainda possuindo a mesma estrutura básica, o sistema é formado por um transmissor e um receptor.
O transmissor é um sistema eletrônico que está associado à geração de sinais, local onde a informação se mistura com a portadora em um processo de deslocamento de espectro e irradiado em uma antena transmissora (AT) para que seja realizada a comunicação. O receptor está associado à extração e processamento da informação do sinal, demodulando a informação captada pela antena receptora (AR), conforme Figura 6.
![Figura 6: Transmissor e receptor de sinal RF [6].](/images/stories/artigos2016/daof001_0006.gif "Figura 6: Transmissor e receptor de sinal RF [6].")
O sistema pode operar em três modos:
Simplex -o transmissor emite sinais para diversos receptores, as fontes emissoras dos sinais possuem apenas um canal unidirecional, faz o enlace ponto-a-ponto e multiponto.
Exemplo: Controle remoto de garagem.
Semiduplex (half duplex) -o transmissor emite sinais para o receptor, assim como o receptor emite sinais para o transmissor, uma por vez, as fontes emissoras dos sinais possuem apenas um canal, fazem uma comutação. Exemplo: rádio transceptor.
Duplex (full duplex) -o transmissor emite sinais para o receptor, assim como o receptor emite sinais para o transmissor, no mesmo instante de tempo, as fontes emissoras dos sinais possuem apenas um canal. Exemplo: telefones sem fio.
3. INTRODUÇÃO À PLATAFORMA ARDUINO
Arduino é uma plataforma de desenvolvimento de código aberto voltado para iniciantes baseado em hardware e software. É destinado para qualquer pessoa que obtenha o desejo de desenvolver projetos interativos independentes sem a necessidade de muito conhecimento em eletrônica e computação [7]. Na Figura 7 é possível visualizar a imagem de um dos modelos.
O Arduino faz parte do conceito de hardware e software livre utilizado como plataforma de prototipagem eletrônica que torna a robótica mais acessível a todos. O projeto do Arduino iniciou na Itália, em 2005, tendo o objetivo de preparar um dispositivo que fosse utilizado para a criação de projetos de uma forma menos dispendiosa, contrária de outros sistemas disponíveis no mercado e de cunho educacional [8].
Ele pode ser usado para desenvolver soluções eletrônicas stand-alone ou conectados ao computador. A placa Arduino não possui recursos de rede, mas pode ser combinada com extensões chamadas de Shields que são componentes que podem facilmente ser integrados, dando ao arduino mais funcionalidades, exemplos de Shields: ESP8266 para prover conexão WIFI, Módulos de RF, Módulo Ethernet que utiliza cabo LAN e outros.
A criação do Arduino teve a finalidade de ser de rápida compreensão, programação e aplicação, além de ser multiplataforma, podendo ser configurado em ambiente Windows,
Linux e Mac OS X. É mantido por uma comunidade que trabalha na filosofia open-source, desenvolvendo e divulgando gratuitamente seus projetos.
Esta placa de controle é uma plataforma de computação física que são sistemas digitais que realizam a interface ligada a sensores e atuadores, utiliza o microcontrolador Atmega que permitem construir dispositivos que percebam a realidade e respondem com ações físicas. Possui acessos de Entrada e Saída, sobre e bibliotecas com funções que simplificam a sua programação, desenvolvidas por meio da linguagem C e C++.
A Figura 8 apresenta um diagrama de blocos de uma cadeia de processamento utilizando o Arduino.
Com o Arduino é possível criar diversas aplicações diferentes com certa facilidade.
Além disso, o próprio equipamento pode ser reutilizado, através de uma nova programação.
Por sua vez, a sua programação é simplificada pela existência de diversas funções que controlam o dispositivo que são as bibliotecas criadas.
No entanto, em um ambiente profissional, as características do Arduino fazem dele uma boa ferramenta de prototipagem rápida e de projeto simplificado. E para um ambiente acadêmico, ele pode ser perfeitamente utilizado como ferramenta educacional, uma vez que não requer do iniciante conhecimentos profundos em eletrônica e programação.
4. MATERIAL E MÉTODOS
O diagrama de contexto da metodologia SART na Figura 9 é composto por fluxo de dados que mostram as interfaces entre o sistema e os componentes externos. Neste são
utilizados um sensor de temperatura LM35 e um sensor de vazamento de gás MQ-6T para aquisição de informações, um arduino pro-mini para realização da leitura dos dados provindos dos sensores, um LED RGB indicador e um módulo RF transmissor para envio de sinais prédefinidos.
Para compor a recepção do sinal propagado pelo módulo RF transmissor é utilizado um arduino uno [2] estando conectado ao módulo RF receptor, a um BUZZER para sinal
sonoro e a um display LCD, que mostrará uma mensagem de acordo com os sinais recebidos via RF. Ambas as placas estarão alimentadas por fonte externa.
O protótipo possui três partes importantes que serão abordadas que são: aquisição de sinais, controle e conexão wireless.
4.1 AQUISIÇÃO DE SINAIS
Para realizar a aquisição de sinais foram utilizados dois sensores: sensor LM35 e sensor MQ-6T.
O sensor LM35 ilustrado na Figura 10 recebe uma alimentação de 4 a 30 V e na saída fornece uma tensão proporcional à temperatura da superfície em contato, no entanto essa tensão será recebida por uma entrada analógica do arduino pro-mini que irá processar os cálculos referentes à conversão para a unidade de temperatura em “ºC” (Graus Celsius).
A Figura 11 mostra a linha de código que realiza os cálculos de conversão para graus Celsius do valor lido pelo sensor.
As Equação abaixo faz uma relação do valor lido, no denominador tem-se o valor 1024 relativo a 5V que é a tensão máxima de entrada de sinal analógico na placa arduino, o qual é:
V = (5 * lm35) / 1024 (1.a)
Na próxima Equação (1.b), .. é dividindo por 10mV, que é o fator de escala do sensor para cada 1 ºC, onde:
Temp[°C] = V / 10mV
Temp[°C] = (5 * lm35 * 100) / 1024 (1.b)
O sensor MQ-6T (Figura 12) alimentado por 5V mede a concentração de gás butano, os valores variam de 0 a 1023 proporcionais no intervalo de 0 a 5V. Como segurança, o
código do programa assumirá o valor de concentração limite de 50% do valor máximo de leitura.
Na Figura 13, é visto a primeira linha de código que verifica a leitura do valor dado pelo sensor de gás variante de 0 a 1023 atribuída a variável “vaz”, e na segunda linha realiza a conversão do valor em porcentagem.
4.2 CONTROLE
No funcionamento, o arduino que processou os dados dos sensores trata as informações basicamente da seguinte forma: O sensor de temperatura ao medir acima de 60 ºC (o plugue fusível da botija derrete com a temperatura em 70 ºC liberando espuma para evitar explosões), o LED RGB ficará vermelho e o módulo TX enviará um sinal indicando
alta temperatura, conforme o código na Figura 14.
O sensor MQ-6T ao captar uma concentração acima de 50%, como estabelecido anteriormente, o LED RGB também ficará vermelho e outro sinal referente a vazamento será enviado, conforme a Figura 15.
Enquanto a temperatura e a concentração de gás estiverem abaixo dos limites de segurança, o LED RGB se manterá azul e um terceiro sinal será transmitido para indicação de situação normalizada.
4.3 CONEXÃO WIRELESS
O módulo RF transmissor enviará os sinais binários de acordo com as situações encontradas e o módulo RF receptor captará os sinais para o arduino uno, que realizará o
processamento dos sinais recebidos e de acordo com cada uma das três situações o BUZZER será, ou não, acionado e mensagens serão mostradas no display LCD.
Módulos RF 433 MHz
Os módulos transmissores de RF são aplicados em sistemas de alarmes, controle remoto, transmissão de dados e automação em geral, trabalham com modulação chaveada do
modo ASK/OOK e operam na frequência de 433 MHz.
O módulo RF transmissor trabalha com tensões que variam de 3 a 12V, podendo ter melhor alcance quando trabalhado na máxima tensão, conforme sua funcionalidade e
aplicação no sistema ele chega a consumir 40mA. O módulo transmissor possui três pinos, na sequência: pino de dados, alimentação e terra. O módulo receptor possui quatro pinos:
alimentação de 5V, dois pinos de dados e terra. Na Figura 17 temos os módulos transmissor e receptor, respectivamente.
As antenas utilizadas foram feitas com fio de cobre (jumper), ambos com 17 cm de comprimento calculado da forma abaixo.
Antenacomprimento = λ / 4
Antenacomprimento = (3 * 108) / (433 * 106 * 4)
Antenacomprimento ≅ 17 cm
(Equação 2)
5. ESQUEMÁTICOS E CÓDIGOS
O esquema elétrico do protótipo deste trabalho foi desenhado através do software Fritzing e está ilustrado nas imagens abaixo.
Abaixo são demonstrados os códigos para os sistemas de microcontrole, respectivamente do arduino responsável por transmitir as informações e arduino responsável por mostrar as informações.
//Autor: David Ferreira
#include <RCSwitch.h> //Biblioteca para os Módulos Transmissores
RCSwitch mySwitch = RCSwitch();
int lm35Pin = A0; //Sensor de temperatura conectado ao Arduino no Pin #A0
int mq6tPin = A1; //Sensor de gas conectado ao Arduino no Pin #A1
float temp; //Variável para o valor da temperatura
int vaz = 0; //Variável para o valor da concentração de gás
int ledBlue = 8;
int ledRed = 9;
void setup() {
mySwitch.enableTransmit(10); //Transmissor conectado ao Arduino no Pin #10
pinMode(ledBlue, OUTPUT);
pinMode(ledRed, OUTPUT);
}
void loop() {
temp = (5.0 * analogRead(lm35Pin) * 100.0) / 1024; //Leitura do sensor lm35 e conversão para graus celsius
vaz = analogRead(mq6tPin); //Leitura do sensor mq-6t
vaz = map(vaz, 0, 1023, 0, 100); //Conversão da variável vaz para porcentagem
if (temp < 60 && vaz < 50 ){ //Condição dos sensores
mySwitch.send("10000111"); //Envio de sinal (código binário) pelo Módulo Tx para Estado normalizado
digitalWrite(ledBlue, HIGH);
digitalWrite(ledRed, LOW);
}
else if (temp >= 60 ){
mySwitch.send("10001000"); //Sinal para Alta Temperatura
digitalWrite(ledBlue, LOW);
digitalWrite(ledRed, HIGH);
}
else if (vaz >= 50 ){
mySwitch.send("10001001"); //Sinal para Vazamento de Gas
digitalWrite(ledBlue, LOW);
digitalWrite(ledRed, HIGH);
}
delay(1000); //Intervalo de 1 segundo entre envios
}
Programa carregado no Arduino com Receptor e Indicadores:
//Autor: David Ferreira
#include <RCSwitch.h> //Biblioteca para os Módulos Transmissores
#include <LiquidCrystal.h> //Biblioteca para o Display LCD
#define sirene 7 //Define o pino onde a sirene vai estar conectado
RCSwitch mySwitch = RCSwitch();
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 6); //Pinos da interface entre Arduino e LCD
void setup() {
lcd.begin(16, 2); //Display LCD 16x2
mySwitch.enableReceive(0); // Receptor conectado ao Arduino Pin #2
}
void loop() {
if (mySwitch.available()){
int value = mySwitch.getReceivedValue();
if (value == 135){ //Valor recebido pelo Módulo Rx
lcd.print("Estado"); //Apresenta a mensagem no display
lcd.setCursor(0,1); //Cursor na primeira coluna(0) e na segunda linha(1)
lcd.print("Normalizado");
noTone(sirene); //Sirene desacionada
}
else if (value == 136){
lcd.print("PERIGO!!!");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Alta Temperatura");
tone (sirene,440,1000); //Sirene acionada
}
else if (value == 137){
lcd.print("PERIGO!!!");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Vazamento de Gas");
tone (sirene,440,1000);
}
lcd.noDisplay(); //Desliga o display
delay(500); //Tempo de 0.5 segundos
lcd.display(); //Liga o display
delay(500);
lcd.clear(); //Limpa o display
mySwitch.resetAvailable();
}
}
6. MONTAGEM DO SISTEMA DE MONITORAMENTO
Na Figura 20 é possível visualizar o dispositivo formado pelo arduino pro-mini alimentado por uma fonte de 5V, sensores conectados nas portas analógicas, LED RGB indicador e o módulo TX que dispõe de uma antena feita com fio de cobre.
Esta parte do protótipo tem por finalidade realizar a leitura dos sensores de temperatura e concentração de gás no ambiente, fazendo o processamento das medidas de
acordo com as condições definidas no programa para seleção da informação, e realizará a transmissão dos sinais ao receptor.
Na Figura 21 é visto o dispositivo com o arduino uno alimentado por uma fonte de 9V, o BUZZER de indicação sonora em casos de perigo, conectado ao Display LCD, periférico de saída, para informar a situação captada e ao módulo RX alimentado com 5V no próprio arduino.
Esta parte do protótipo irá receber os sinais enviados pelo transmissor, processará os dados para escolha da mensagem que indica a leitura do ambiente e mostrará de forma escrita para leitura do usuário, conforme na Figura 22.
As respostas das leituras são demonstradas no Display, onde são ilustradas as mensagens que serão exibidas: Estado Normalizado (a), PERIGO! Alta Temperatura (b) e
PERIGO! Vazamento de Gás (c). As condições para as informações foram descritas na seção 4.2.
CONCLUSÃO
Este trabalho teve como objetivo desenvolver a partir do uso de arduinos, sensores, indicadores e módulos de comunicação sem fio, um protótipo de dispositivo para detectar vazamento e temperatura da botija de gás, aplicado em ambientes residenciais.
As medidas abstraídas pelos sensores são essenciais para prover segurança quanto ao monitoramento de botijas de gás LP. A plataforma arduino foi fundamental para a realização do desenvolvimento deste protótipo e a utilização dos módulos RF no dispositivo mostrou um grau de funcionamento adequado, o LED RGB, o BUZZER e o Display LCD são periféricos de saída suficientes para este sistema de monitoramento. A integração desses componentes é de fácil manutenção e requer do Técnico em Eletrônica Digital apenas conhecimento e afinidade com esta plataforma de projetos.
Como trabalhos futuros, visto que neste trabalho foram enviados sinais pré-definidos para cada situação, é sugerido que sejam utilizadas bibliotecas dos módulos de comunicação que contemplam o envio dos valores medidos pelos sensores, com o intuito de informar as ocorrências de forma mais precisa ao usuário.
REFERÊNCIAS
[1] Explosão de botijão de gás deixa mais de 100 mortos na Índia. Disponível em: Acesso em: 21 mar. 2016.
[2] MARÃO, Gabriel Antonio. Internet das Coisas: Oportunidades e Perspectivas da Nova Revolução Digital para o Brasil, Fórum Brasileiro de IOT, 2014.
[3] Computação ubíqua. Disponível em: <http://www.hardware.com.br/artigos/computacaoubiqua/> Acesso em 20 jun. 2015.
[4] Sensoriamento de Plantas. Disponível em: < http://www.koubachi.com/> Acesso em 10 dez. 2015.
[5] Sistemas de Rastreamento. Disponível em: <http://www.oeco.org.br/> Acesso em 10 dez. 2015.
[6] Sistema Comunicação – Telecom. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAf7ZUAE/sistema-comunicacao-telecomcapitulo2> Acesso em 04 dez. 2015.
[7] Arduino UNO. Disponível em: <https://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno> Acesso em: 24 fev. 2016.
[8] RENNA, Roberto; BRASIL, Rodrigo; Et.al. Introdução ao kit de desenvolvimento Arduino, Programa de Educação Tutorial, Grupo PET -Tele, µFF, Niterói, 2013.
