Anais do XX Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178
Anais do V Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420
22 e 23 de setembro de 2015
DOMÓTICA APLICADA AO USO EFICIENTE DA ÁGUA
Gabriel Mendes Veiga
David Bianchini
Faculdade de Engenharia Elétrica
CEATEC
[email protected]
Sistemas de Telecomunicações – Gestão
de Redes e Serviços
CEATEC
[email protected]
Resumo: Com as variações climáticas que vem
acontecendo no país, certas regiões tem tido
necessidade de fazer racionamento de água nas
cidades, por período de tempo variado. Embora os
reservatórios de água domiciliares estejam cheios,
com o passar das horas, ou dias, sem
reabastecimento pode ocorrer o esgotamento do
recurso, caso não se tenha um uso racional do
mesmo. Dentro deste quadro, acompanhar o uso
da água, buscando estabelecer sempre a forma
mais racional e necessária, em conformidade com o
volume ainda disponível, pode ajudar o usuário a
permanecer
abastecido
em
períodos
de
racionamento. Este trabalho, desenvolvido na forma
de iniciação científica, tem como objetivo
apresentar um sistema de monitoração do uso da
água com rede de sensores apoiada em plataforma
livre. Busca-se gerir de forma eficiente e eficaz o
uso da água em um dado ambiente seja esta uma
residência ou mesmo uma escola ou pequena
empresa. Para tanto, foi construído um protótipo
apoiado em um sistema de comunicação com base
em Rede de Sensores Sem Fio - RSSF, sensores e
plataforma de monitoração. Como saída do sistema
desenvolveu-se uma interface tipo Interface
Homem Máquina – IHM, que permite aos usuários
uma visão clara do quanto dispõe de água em seus
reservatórios, ajudando-os a administrar este
recurso
de
forma
continua
e
efetua-la
principalmente nos períodos de escassez.
trabalhos domésticos, maior segurança e bem estar
dos moradores que nela residem a domótica
demonstra grande utilidade na monitoração e
racionalização dos meios de consumo deste
ambiente, como por exemplo, a energia elétrica e a
água.
Palavras-chave: Rede de sensores sem fio,
Interface homem-máquina, Monitoramento do nível
de água.
Área do Conhecimento: 03 - Engenharias
3.04.06.00-5 – telecomunicações.
1. INTRODUÇÃO
Com o avanço da tecnologia e a busca do homem
por inovações que proporcionassem uma melhoria
em sua qualidade de vida, a automação residencial,
também conhecida como domótica, surge com o
objetivo de prover maior conforto e domínio em seu
ambiente residencial. Além de oferecer redução nos
Neste cenário se evidencia a contribuição cada vez
maior das Redes de Sensores Sem Fio – RSSF
(WSN - Wireless Sensor Network) que por se
apresentar
de
maneira
onipresente
são
denominadas de Redes Ubíquas (USN – Ubiquitous
Sensor Network) [1]. Dentro da presença das RSSF
na automação residencial, aumenta o interesse da
monitoração de todos os elementos que sejam
importantes na qualidade de vida, dentre elas o uso
racional da água onde quer que ela se encontre.
Apesar de nosso planeta ser coberto por 75% de
água, 97,3% deste gigantesco volume são
compostos de água salgada, água de mares e
oceanos. A água doce representa apenas 2,7%,
sendo que 68,9% deste valor se encontram nas
calotas polares e 29,9% em água subterrânea.
Desta forma, apenas 0,3% de água doce
estão presentes em rios, lagos e reservatórios para
o consumo humano, de animais e vegetais. O
restante da água doce está na biomassa e na
atmosfera em forma de vapor [2]. De acordo com a
Organização das Nações Unidas (ONU), cada
pessoa necessita de aproximadamente 110 litros de
água por dia para realizar suas necessidades de
consumo e higiene, entretanto, no Brasil, este
consumo pode ultrapassar os 200 litros por dia.
Diante disso, o Brasil, possuidor entre 12% e 14%
da
água
do
planeta,
envida
esforços
governamentais importantes para mostrar aos
cidadãos a sua responsabilidade do uso da água
[3], buscando dentre outros objetivos criar um
consumidor consciente [4].
Atualmente, a crise hídrica em importantes bacias
hidrográficas brasileiras expôs as consequências
do uso abusivo deste recurso natural. Rios
caudalosos reduzidos a pequenos cursos de água
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em partes dos seus trechos, enormes reservatórios,
responsáveis por abastecer alguns dos principais
centros urbanos do país, próximos de se
esgotarem, revelam mais que condições adversas
do tempo, provenientes de níveis de chuvas abaixo
das médias históricas. A diversidade de demandas
crescentes pelos recursos hídricos, advindas do
consumo e da atividade humana (agricultura,
indústria, geração de energia, etc.) acrescida das
limitações naturais dos ambientes, levaram a
questão da crise hídrica para o centro da pauta de
estratégias de desenvolvimento no país [5].
Dentro deste quadro este trabalho de Iniciação
Científica procurou desenvolver um sistema de
monitoração que possibilite capturar a vazão da
água de um reservatório e informar sua
disponibilidade em tempo real ao usuário. Busca-se
proporcionar assim, condições para uso racional da
água em ambientes específicos, como por exemplo,
residências, escolas ou pequenas empresas,
principalmente em períodos de estiagem, quando
sua falta produz o racionamento da mesma.
Com a utilização da plataforma livre Radiuino [6]
para integração da RSSF e o software ScadaBR [7]
para supervisionamento do mesmo, esta pesquisa
busca responder a seguinte questão: É possível
elaborar um sistema de monitoração da vazão da
água que capture o funcionamento do reservatório
e informe sua disponibilidade em tempo real ao
consumidor, permitindo a ele gerir eficientemente
este recurso?
O estudo de questões desta natureza se deve ao
fato de que as redes ubíquas estão cada vez mais
presentes nas soluções de captura de dados com
vista à estruturação das cidades digitais e
inteligentes, podendo alimentar sistemas de
planejamento de infraestruturas urbanas, no sentido
de prover este recurso de forma cada vez mais
eficiente.
2. SISTEMA DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL
O sistema de automação residencial desenvolvido
durante esta pesquisa busca monitorar a vazão de
água de um reservatório e por meio de uma Rede
de Sensores Sem Fio, enviar os dados obtidos pelo
sensor a um sistema de supervisionamento. As
informações poderão ser acessadas através de
dispositivos, como por exemplo, computador
pessoal ou Tablet. Este sistema permitirá ao
usuário o gerenciamento correto de seu recurso,
informando-o a quantidade de água presente no
reservatório em tempo real, bem como um alerta
sonoro avisando que o nível do mesmo se
apresenta crítico.
Dentro deste quadro procurou-se estabelecer
alguns critérios para escolhas de hardware e
software a serem empregados. Diante disso
colocou-se que o projeto desenvolvido deveria ser
apoiado em plataforma open-source e que
apresentasse baixo custo de implementação, além
de oferecer baixa complexidade durante sua
elaboração e operação, uma vez que o projeto em
questão deve ser utilizado em sua maioria, por
pessoas que não apresentam conhecimento na
área desta pesquisa.
Diante destes pré-requisitos escolheu-se a
plataforma Radiuino para o desenvolvimento desta
RSSF e o software supervisório ScadaBR para
monitoração da vazão de água no tempo.
2.1 Redes de sensores sem fio
A plataforma aberta Radiuino por possibilitar a
formação de uma Rede de Sensor Sem Fio (RSSF)
e proporcionar maior proveito devido à sua
associação com a plataforma Arduino, aparece
como uma maneira eficaz para o desenvolvimento
do sistema proposto durante esta pesquisa. Além
de ser open-source, contempla hardware, firmware
e software, e apresenta a mesma IDE (Integrated
Development Environment ou Ambiente Integrado
de Desenvolvimento) da plataforma Arduino,
possibilitando o uso de todas as facilidades
provenientes deste ambiente.
A Figura 1 apresenta o diagrama em blocos da
RSSF que fora utilizada durante a execução deste
projeto, fazendo uso da plataforma Radiuino:
Figura 1. Diagrama em blocos [8]
Para a montagem desta RSSF foram empregados
dois módulos RFBee. O RFBee é um módulo RF
(Rádio Frequência) que permite a transmissão de
dados sem fios de maneira fácil e flexível entre os
dispositivos [9]. Um dos módulos estará interligado
ao sensor, que capturará os dados do mesmo e os
enviará através desta RSSF para o outro módulo,
que estará ligado junto ao computador por meio de
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uma porta serial (USB). A Figura 2 mostra o módulo
RFBee:
Para que o sensor efetuasse as medições de
maneira eficaz, sem que as laterais do reservatório
utilizado influenciassem nas medidas uma vez que
o mesmo apresenta restrições a partir de um
determinado ângulo, posicionou-se o mesmo no
centro deste reservatório. A Figura 4 mostra como
este sensor foi posicionado:
Figura 2. Módulo RFBee [10]
2.2 Sensor Ultrassônico
Devido ao requisito do projeto de se monitorar a
vazão de água de forma prática e que não
influenciasse na qualidade da água presente no
reservatório, a solução encontrada foi à utilização
de um sensor ultrassônico fixado no centro do
reservatório. Assim, ao longo do tempo, o mesmo
efetua medidas de profundidade em relação à
superfície da água, que posteriormente, são
utilizadas no cálculo da quantidade de água do
reservatório. Após concretização deste cálculo, as
informações obtidas são enviadas para o software
de monitoramento e visualizadas pelo usuário.
Dentro das opções de dispositivos encontradas
para a solução deste problema, decidiu-se pelo uso
do sensor HC-SR04 por apresentar baixo custo e
consumo de energia, além de facilidade durante
sua aplicação.
O HC-SR04 é um sensor ultrassônico, também
conhecido como sonar, que emite ondas sonoras
de alta frequência para o ambiente e recebe a
reflexão do mesmo, podendo assim, detectar
objetos a distâncias de 2 a 400 cm. Neste projeto, o
objetivo da utilização deste sensor foi medir a
distância entre a superfície da água e sua posição.
A Figura 3 exemplifica o funcionamento do mesmo,
bem como a fórmula utilizada para o cálculo da
distância:
Figura 4. Posicionamento do sensor ultrassônico [12]
Para encontrar a distância citada anteriormente
basta realizar a subtração da altura do reservatório
(H) com a distância entre o sensor e a superfície
(d). Com o valor obtido e conhecendo a geometria
do reservatório a ser utilizado, torna-se possível,
através do volume, calcular a água presente no
reservatório em questão.
2.3 Software de monitoramento
Para monitorar os dados advindos do sensor era
imprescindível compatibilidade com a plataforma
Radiuino. Assim, a partir desse pré-requisito, fez-se
uso do software supervisório ScadaBR, que além
de ser compatível com a plataforma em questão é
um software livre de código aberto.
O ScadaBR pode ser acessado através de um
navegador de Internet, sendo preferencialmente,
por recomendação do desenvolvedor, o Chrome ou
o Firefox. A interface deste software é de fácil
utilização e possibilita a visualização de gráficos,
relatórios,
estatísticas,
configurações
dos
protocolos, alarmes, além de construções de telas
tipo IHM – Interface Homem Máquina e uma série
de opções de configuração [13].
Durante a execução deste projeto utilizou-se a
função de construção de interface tipo IHM, para
visualização da quantidade de água disponível no
reservatório, bem como, a de alarmes, onde o
sistema informa (na tela de "Alarmes", no menu
principal) toda vez que o valor de seu data point
(variável) ficar abaixo de um limite mínimo préestabelecido, permitindo desta forma, informar ao
Figura 3. Funcionamento do sensor [11]
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usuário que o nível de água de seu reservatório
atingiu um estado crítico.
3. MONTAGEM DE UM PROTÓTIPO
Para a realização de testes e verificação da
validade do projeto como um todo fora montado um
protótipo que permitisse simular, com máxima
realidade, uma caixa de água presente em uma
residência, ou ainda, em escolas ou pequenas
empresas. Diante disso, desenvolveu-se uma placa
de circuito impresso que permitisse acoplar tanto o
sensor ultrassônico, responsável pela aquisição dos
dados, quanto o módulo RFBee, que contempla a
parte de RSSF do projeto e que envia estes dados
para a base, que posteriormente serão visualizados
através da interface desenvolvida, que será
apresentada em seguida, através da Figura 7.
Para esta placa ser fixada no reservatório de água
foi necessário que a mesma fosse colocada dentro
de uma caixa, permitindo, além disso, a proteção
contra um eventual contato com a água deste
reservatório. A Figura 5 exibe a caixa onde esta
placa fora colocada junto com a fonte de
alimentação da mesma:
Figura 6. Protótipo monitorando o nível de água
Visando facilitar a compreensão dos usuários, uma
vez que grande parte dos mesmos não apresenta
conhecimento na área de desenvolvimento deste
projeto, elaborou-se uma interface através do
ScadaBR que permitisse ao usuário verificar de
forma simples e prática a quantidade de água
disponível em seu reservatório, permitindo-o gerir
da melhor forma possível o seu recurso.
Para a elaboração desta interface utilizou-se um
reservatório que representa uma caixa de água
autêntica e que informa em tempo real sua
disponibilidade. Os Led’s interpretam o nível deste
reservatório, podendo se apresentar em Estável,
Moderado ou Crítico dependendo de sua
disponibilidade, tendo em vista que estes
indicadores de níveis são acionados apenas
quando atingem uma faixa pré-determinada. A
Figura 7 mostra a interface desenvolvida:
Figura 5. Caixa com a placa de circuito impresso
Para a realização dos testes utilizou-se uma caixa
de 250 litros, com altura de 0,405m, largura de
0,655m e comprimento de 0,770m, que, juntamente
com a RSSF e a interface elaborada para a
execução
deste
projeto,
permitiram
o
desenvolvimento de um protótipo que monitora a
disponibilidade de água em tempo real do
reservatório em questão. A Figura 6 ilustra o
protótipo desenvolvido para este projeto:
Figura 7. Interface desenvolvida ao usuário
4. VALIDAÇÃO DO PROJETO
Visando analisar o comportamento do protótipo
com intuito de verificar sua validade foram
realizados dois testes, o primeiro quando ocorre
vazão de água e o segundo entrada de água no
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reservatório. Para realizar esta vazão/entrada de
água fora utilizada uma bomba de água similar à de
aquário, com potência de 11 Watts e vazão de
650L/h, que possibilitou a monitoração da
quantidade presente no mesmo em ambos os
testes.
Deve ser levado em consideração que apesar da
caixa de água utilizada durante os ensaios
descritos anteriormente ter uma capacidade de 250
litros, utilizou-se apenas cerca de 2/7 de seu
volume. Por esse motivo, observa-se que nos
gráficos demonstrados a seguir, começam ou
terminam próximos de 70 litros. O Gráfico 1 ilustra
os dados obtidos no primeiro teste, com a vazão de
água em um determinado intervalo de tempo:
Diante dos experimentos realizados e dados
obtidos observou-se que o protótipo desenvolvido
atendeu as expectativas, uma vez que tanto na
entrada e na vazão de água do reservatório, o
sensor ultrassônico obteve êxito em detectar a
variação de nível decorrente desta vazão/entrada.
Como esta vazão/entrada de água é constante
devido à utilização da bomba de água, percebe-se
que as medidas realizadas pelo sensor apresentam
coerência, visto que os Gráficos 1 e 2,
apresentados anteriormente, exibem linearidade
negativa e positiva respectivamente, devido ao
teste executado.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Dentro do escopo deste projeto, em que se buscou
desenvolver um protótipo que monitorasse a
quantidade de água em um reservatório, sendo que
o mesmo deveria ser apoiado em plataforma
open-source e que a interface desenvolvida deveria
apresentar fácil utilização e compreensão ao
usuário, pode-se concluir que o objetivo em
questão foi alcançado.
Realizando uma análise do trabalho produzido,
percebeu-se que a busca de respostas para o
encaminhamento do projeto proporcionou aspectos
significativos no aprendizado, proporcionando
também o rompimento do paradigma professoraluno.
Gráfico 1. Disponibilidade de água com a vazão no
tempo
Posteriormente, com objetivo de constatar o
desempenho do protótipo na entrada de água, fora
realizado o segundo teste. O Gráfico 2 exibe os
dados obtidos com a entrada de água em um
intervalo de tempo:
Com intuito de aprimorar este projeto, visando uma
continuidade do mesmo, pode-se acrescentar o
monitoramento do consumo diário, semanal ou até
mesmo mensal de uma residência, escola ou micro
empresa, por exemplo. Ou ainda, dependendo do
interesse do usuário, disponibilizar através de
relatórios específicos o consumo de vários meses
ou ao ano. Para isso seria necessário à utilização
de um sensor de fluxo de água acoplado na saída
da caixa de água, desta forma, tornaria possível o
acompanhamento da vazão de água e,
consequentemente, do consumo no ambiente
analisado.
AGRADECIMENTOS
Os agradecimentos para o Prof. Dr. Omar
Branquinho como especialista na plataforma
Radiuino e ao Prof. Dr. David Bianchini, pela
orientação durante o desenvolvimento desta
pesquisa.
Gráfico 2. Disponibilidade com a entrada de água no
tempo
REFERÊNCIAS
[1] PEREIRA, M. R.; DE AMORIN, C.L; DE
CASTRO, M. C. S. Tutorial sobre rede de sensores.
Cadernos do IME. 2003. Capturado online em
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22 e 23 de setembro de 2015
05/03/2014
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<http://www.ime.uerj.br/cadernos/cadinf/vol14/. >.
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[3] SABESP. O uso racional da água adote essa
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<http://www.sabesp.com.br/sabesp/filesmng.nsf/DA
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[4] CRISTOFILIS, D. Conservação e uso racional
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<http://www.orcamentofederal.gov.br/eficienciadogasto/CONSERVACAO_E_USO_RACIONAL_D
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[5] EMBRAPA. Manejo de recursos hídricos.
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[6] RADIUINO. Plataforma aberta para rede
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<http://www.radiuino.cc/node/8>.
[7] SCADABR. Você já conhece o ScadaBR?.
Capturado
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04/09/2014
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<http://www.scadabr.com.br/?q=node/154>.
[8] RADIUINO. Treinamento plataforma Radiuino.
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<http://radiuino.cc/wpcontent/uploads/2015/05/TreinamentoPlataformaRa
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[9] SEEEDSTUDIO. Nó compatível Arduino sem fio
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<http://www.seeedstudio.com/wiki/index.php?title=R
Fbee_V1.1__Wireless_Arduino_compatible_node>.
[10] SEEEDSTUDIO. Imagem módulo RFBee.
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04/05/2015
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<http://www.seeedstudio.com/depot/images/rfbee1.j
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[11] SOUZA, N. Sensor de distância ultrassônico e
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[12] TECMER. Detector de nível ultrasónico.
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[13] SCADABR. Sobre o ScadaBR. Capturado
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<http://www.scadabr.org.br/?q=node/1>.