PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ
ESCOLA POLITÉCNICA
ENGENHARIA ELÉTRICA - TELECOMUNICAÇÕES
JULIANA MARIA ALVES MENDES
NABIL HANNOUCHE FILHO
ESTAÇÃO METEOROLÓGICA MÓVEL
CURITIBA
2013
JULIANA MARIA ALVES MENDES
NABIL HANNOUCHE FILHO
ESTAÇÃO METEOROLÓGICA MÓVEL
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Graduação em
Engenharia
Elétrica
da
Pontifícia
Universidade Católica do Paraná, como
requisito parcial à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Professor Mestre Valter Klein
Junior
CURITIBA
2013
Página reservada para ficha catalográfica que deve ser confeccionada após
apresentação e alterações sugeridas pela banca examinadora.
Deve ser impressa no verso da folha de rosto.
A Biblioteca da PUCPR oferece o serviço gratuitamente.
Para solicitar, necessário enviar o trabalho para o email
[email protected]
Em até 48h a ficha será encaminhada para o email do solicitante.
JULIANA MARIA ALVES MENDES
NABIL HANNOUCHE FILHO
ESTAÇÃO METEOROLÓGICA MÓVEL
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Graduação em
Engenharia
Elétrica
da
Pontifícia
Universidade Católica do Paraná, como
requisito parcial à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
COMISSÃO EXAMINADORA
_____________________________________
James Alexandre Baraniuk
(Professor Doutor)
_____________________________________
Valter Klein Junior
(Orientador Professor Mestre)
_____________________________________
Ivan Jorge Chueiri
(Co-Orientador Professor Mestre)
Curitiba, 02 de dezembro de 2013.
Dedicamos a Deus e as nossas famílias.
AGRADECIMENTOS
Aluna Juliana Maria Alves Mendes
Meus sinceros agradecimentos a todos aqueles que de alguma forma doaram
um pouco de si para que a conclusão deste trabalho se tornasse possível. A Deus,
que iluminou o meu caminho durante esta caminhada; Aos nossos professores
orientadores, pelo auxílio, disponibilidade e dedicação em nos ajudar e mostrar
sempre o melhor caminho; Aos meus pais, irmãos e família, que mesmo longe
sempre estiveram do meu lado; Aos meus amigos que muitas vezes foram a minha
família, me ajudando a segurar a barra, e por último, e não menos importante, ao
meu amigo de projeto Nabil, sem você nada disso seria possível.
Aluno Nabil Hannouche Filho
Primeiramente agradeço a Deus por sempre estar ao meu lado me dando
força para sempre seguir em frente com meu objetivo. Por segundo, gostaria de
agradecer toda minha família e todos os amigos que participaram da minha vida
nesse ano tão importante para minha formação acadêmica.
Meu agradecimento especial para nosso orientador e nosso co-orientador que
sempre estiveram a nossa disposição nos mostrando o melhor caminho a ser
tomado perante alguma dificuldade ao longo desse ano.
É triste pensar que a natureza fala
e que o gênero humano não a ouve.
(Vitor Hugo, 1845)
RESUMO
Atualmente as condições climáticas vêm sendo um assunto de destaque mundial
que está gerando preocupação para o ser humano. A população, a medida do
possível, está cada vez mais ciente que é preciso zelar de forma responsável pelo
meio ambiente. A cada dia que passa muitos estudiosos do assunto estão
realizando pesquisas acerca dos efeitos das ações do ser humano sobre o clima do
planeta. O Brasil possui um órgão responsável por realizar pesquisas espaciais que
se chama INPE, no qual, possui um centro de previsão do tempo e estudos
climáticos (CPTEC) com alta tecnologia. No mundo, países tentam realizar acordos
se comprometendo, por exemplo, com a diminuição de emissão de CO2 no meio
ambiente. Assim a necessidade de coletar e estudar dados tem uma grande
importância no desenvolvimento do ser humano. Levando esses fatores em
consideração, tem-se como objetivo deste projeto a construção de três estações
meteorológicas móveis que capturam medidas referentes à velocidade do vento,
temperatura ambiente, umidade relativa do ar, ruído ambiente e precipitação,
transmitindo via rádio as informações para uma estação controladora que tratará os
dados. A mesma enviará as informações a um dispositivo final e o usuário poderá
obter um levantamento dos dados de certa região, visando facilitar a análise e ação
sobre pontos críticos.
Palavras-chave: Condições climáticas. Meio Ambiente. Estações meteorológicas.
Medição de Microclima.
ABSTRACT
Currently the weather conditions have been a subject of global prominence that is
causing preoccupation for humans. The population is conscious that we need to take
care of a responsible environmental. Every day that passes many researchers of the
subject are conducting research about the effects of human actions on the global
climate. Brazil has an institute responsible for performing spatial research called
INPE, in which has a center for weather and climate studies (CPTEC) with high
technology. In the world, countries are trying to perform arrangements, for example,
with reduction of CO2 emissions in the environment. So, it`s important to collect and
study data because this information will be important in the development of the
human. Taking these factors into consideration, it has been the objective of this
project to build three mobile weather stations that capture measurements related to
wind speed, temperature, relative humidity, rainfall and ambient noise and then
transmitting those information via radio to a station controller that process the data.
The controller station will send the information to an end device and the will have a
relation report from a certain region in order to facilitate analysis and action on critical
issues.
Keywords: Weather conditions. Environment. Weather stations. Measurement of
microclimate.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Diagrama de Blocos com representação do projeto ................................. 20
Figura 2 - Diagrama de funcionamento do projeto .................................................... 21
Figura 3 - Sinal Analógico ......................................................................................... 22
Figura 4 - Sinal Digital ............................................................................................... 22
Figura 5 - Rolamento dentado do mouse .................................................................. 23
Figura 6 - Ventoinha do cooler .................................................................................. 24
Figura 7 - Cooler comercial ....................................................................................... 24
Figura 8 - Cooler comercial desmontado .................................................................. 25
Figura 9 - Cooler sem estruturas internas ................................................................. 25
Figura 10 - Cooler final sem estruturas internas........................................................ 25
Figura 11 - Diodo Emissor - LED............................................................................... 26
Figura 12 - Diodo Receptor - Fotodiodo .................................................................... 26
Figura 13 - Representação do Resistor ..................................................................... 27
Figura 14 - Aspecto Físico do Resistor ..................................................................... 27
Figura 15 - Representação e Aspecto do Transistor ................................................. 28
Figura 16 - Esquemático do Sensor de Vento ........................................................... 29
Figura 17 - DTT11 ..................................................................................................... 31
Tabela 1 - Características Elétricas DHT11 .............................................................. 31
Figura 18 - Termistor do Tipo NTC............................................................................ 32
Figura 19 - Comportamento de um termistor do tipo NTC e PTC. ............................ 32
Figura 20 - Sensor de umidade HR202 ..................................................................... 33
Figura 21 - Ligações elétricas do Sensor de Temperatura e Umidade ..................... 33
Figura 22 - Circuito do sensor de temperatura e umidade ........................................ 34
Figura 23 - Comportamento geral do DHT11 ............................................................ 35
Figura 24 - Comportamento do MCU ........................................................................ 35
Figura 25 – Representação um dos bits com valor zero ........................................... 36
Figura 26 - Representação dois dos bits com valores um ......................................... 36
Figura 27 - Aspecto Físico do Capacitor ................................................................... 37
Figura 28 - Representação do Capacitor .................................................................. 38
Figura 29 - Aspecto Físico do Amplificador Operacional ........................................... 38
Figura 30 - Representação do Amplificador Operacional .......................................... 39
Figura 31 - Configuração do Amp-Op ....................................................................... 39
Figura 32 - Microfone de eletreto .............................................................................. 40
Figura 33 - Estrutura Interna do Microfone de Eletreto ............................................. 41
Figura 34 - Circuito do sensor de ruído ..................................................................... 42
Figura 35 - Circuito do Sensor de Chuva .................................................................. 43
Figura 36 - Comportamento do Sensor de Chuva - Seco ......................................... 44
Figura 37 - Comportamento do Sensor de Chuva - Molhado .................................... 44
Figura 38 – Estrutura do Protocolo Bluetooth............................................................ 46
Figura 39 - Configuração das Conexões Bluetooth ................................................... 47
Figura 40 - Módulos Zigbee....................................................................................... 48
Figura 41 - Comparação entre os principais padrões de redes sem fio. ................... 49
Figura 42 - Topologias .............................................................................................. 50
Figura 43 - Protocolos de Rede que utilizam a plataforma Zigbee ............................ 51
Tabela 2 - Diferenças entre Bluetooth e Zigbee ........................................................ 52
Figura 44 - Aplicação Bluetooth ................................................................................ 53
Figura 45 - Aplicação Zigbee..................................................................................... 53
Figura 46 - Pacote de Dados Transmitidos e Recebidos .......................................... 54
Figura 47 - Configuração Zigbee ............................................................................... 54
Figura 48 - Software X-CTU ...................................................................................... 55
Figura 49 - Shield Arduino ......................................................................................... 56
Figura 50 - Protocolo desenvolvido ........................................................................... 57
Figura 51- Microcontrolador Atmega 16 .................................................................... 59
Figura 52 - Placa de desenvolvimento ...................................................................... 60
Figura 53 - Bitbang .................................................................................................... 61
Figura 54 - Período do Pulso..................................................................................... 61
Figura 55 - Formato do Pacote de Comunicação ...................................................... 62
Figura 56 - Cenário para teste do Sensor de Vento .................................................. 63
Figura 57 - Gráfico Velocidade x Distância ............................................................... 63
Figura 58 - Cenário de teste do Sensor de Temperatura .......................................... 64
Figura 59 - Gráfico da Temperatura .......................................................................... 65
Figura 60 - Cenário de Teste do Sensor de Umidade ............................................... 66
Figura 61 - Gráfico da Umidade x Umidade + Temperatura...................................... 66
Figura 62 - Cenário Teste do Sensor de Ruído ......................................................... 67
Figura 63 - Gráfico do comportamento do Sensor de Ruído ..................................... 68
Figura 64 - Gráfico do Estado x Tensão (V) .............................................................. 69
Tabela 3 - Variáveis de Compensação de Software ................................................. 70
Figura 65 - Produto Oregon....................................................................................... 71
Figura 66 - Produto Laboratorio de Garagem............................................................ 72
Figura 67 - Estações Meteorológicas Instaladas ....................................................... 73
Figura 68 - Mapa de áreas de monitoramento 1 ....................................................... 73
Figura 69 - Mapa de áreas de monitoramento 2 ....................................................... 74
Figura 70 - Mapa de áreas de monitoramento 3 ....................................................... 74
Figura 72 - Análise FMEA ....................................................................................... 105
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características Elétricas DHT11 .............................................................. 31
Tabela 2 - Diferenças entre Bluetooth e Zigbee ........................................................ 52
Tabela 3 - Variáveis de Compensação de Software ................................................. 70
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
INPE
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
CPU
Central Processor Unit
MIPS
Million Instructions per Second
GPRS
Geral Packet Radio Service
GSM
Groupe Special Mobile
SMS
Short Message Service
MHz
Mega Hertz
FMEA
Failure Model and Effect Analysis
ITD
Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento
PWM
Pulse Width Modulation
INMET
Instituto Nacional de Meteorologia
IAPAR
Instituto Agronômico do Paraná
SIMEPAR
Instituto Tecnológico (antiga sigla de Sistema Meteorológico do
Paraná)
LED
Light-Emitting Diode
PTC
Positive Temperature Coeficient
NTC
Negative Temperature Coeficient
MCU
Microcontroller
MPU
Microprocessor
CC
Corrente Contínua
CA
Corrente Alternada
A/D
Analógico / Digital
m/s
Metros por segundo
Km/h
Quilômetros por hora
PVC
Cloreto de Polivinila
LST
Laboratório de Sistemas Térmicos
RSSF
Redes de Sensores Sem-Fio
PUCPR
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
WPANS
Wireless Personal Area Network
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
MAC
Medium Access Control
FFD
Full Function Device
RFD
Reduce Function Device
API
Application Programming Interface
DH
Destino Alto
DB
Destino Baixo
PAN ID
Personal Area Network Identification
TCP
Transmission Control Protocol
EEPROM
Erasable Programmable Read-Only Memory
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ............................................................................................. 18
1.1
OBJETIVOS ................................................................................................. 18
1.1.1
Objetivo Geral ............................................................................................. 18
1.1.2
Objetivos Específicos ................................................................................ 19
1.1.3
Justificativa ................................................................................................. 19
2
METODOLOGIA........................................................................................... 19
3
TECNOLOGIAS UTILIZADAS ..................................................................... 21
3.1
SENSOR DE VENTO ................................................................................... 23
3.1.1
Cooler .......................................................................................................... 23
3.1.2
Diodo Emissor de luz (LED) ....................................................................... 26
3.1.3
Diodo Receptor de luz (Fotodiodo) ........................................................... 26
3.1.4
Resistores ................................................................................................... 27
3.1.5
Transistor .................................................................................................... 28
3.1.6
Hardware ..................................................................................................... 28
3.1.7
Software ...................................................................................................... 29
3.2
SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE ............................................... 30
3.2.1
Elementos sensores ................................................................................... 32
3.2.1.1 Termistor do Tipo NTC ................................................................................. 32
3.2.1.2 HR202 .......................................................................................................... 33
3.2.2
Hardware ..................................................................................................... 33
3.2.3
Software ...................................................................................................... 34
3.3
SENSOR DE RUÍDO .................................................................................... 37
3.3.1
Capacitores ................................................................................................. 37
3.3.2
Resistores ................................................................................................... 38
3.3.3
Amplificador Operacional .......................................................................... 38
3.3.4
Microfone de eletreto ................................................................................. 40
3.3.5
Hardware ..................................................................................................... 41
3.3.6
Software ...................................................................................................... 42
3.4
SENSOR DE PRECIPITAÇÃO .................................................................... 43
3.4.1
Resistores ................................................................................................... 43
3.4.2
Hardware ..................................................................................................... 43
3.4.3
Software ...................................................................................................... 45
3.5
REDE DE SENSORES SEM FIO ................................................................. 45
3.5.1
Bluetooth ..................................................................................................... 46
3.5.2
Zigbee .......................................................................................................... 47
3.5.3
Bluetooth x Zigbee ..................................................................................... 51
3.6
REDE SEM FIO UTILIZADA ........................................................................ 53
3.6.1
Shield Xbee ................................................................................................. 55
3.6.2
PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO ............................................................ 56
3.7
MICROCONTROLADOR ............................................................................. 58
3.7.1
Memória EEPROM ...................................................................................... 60
3.8
BIT BANG .................................................................................................... 61
4
PROCEDIMENTOS DE TESTES E VALIDAÇÃO DO PROJETO ............... 62
4.1
TESTE DO SENSOR DE VENTO ................................................................ 62
4.2
TESTE DO SENSOR DE TEMPERATURA ................................................. 64
4.3
TESTE DO SENSOR DE UMIDADE ............................................................ 65
4.4
TESTE DO SENSOR DE RUÍDO ................................................................. 67
4.5
TESTE DO SENSOR DE PRECIPITAÇÃO .................................................. 68
4.6
AJUSTE DE MEDIDAS ................................................................................ 69
5
ANALISE DE RISCO.................................................................................... 70
6
PROJETOS SIMILARES E ESTUDO DE MERCADO ................................. 70
7
REFERÊNCIAS DE ESTAÇÕES EXISTENTES .......................................... 72
8
CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 75
9
TRABALHOS FUTUROS ............................................................................. 75
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 77
ANEXO A - HARDWARE SENSOR DE VENTO ...................................................... 79
ANEXO B - SOFTWARE SENSOR DE VENTO ....................................................... 80
ANEXO C - HARDWARE SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE .................. 82
ANEXO D - SOFTWARE SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE ................... 83
ANEXO E – HARDWARE SENSOR DE RUIDO ...................................................... 84
ANEXO F – SOFTWARE SENSOR DE RUIDO ....................................................... 85
ANEXO G – HARDWARE SENSOR DE PRECIPITAÇÃO ...................................... 87
ANEXO H – SOFTWARE SENSOR DE PRECIPITAÇÃO........................................ 88
ANEXO I – HARDWARE CONSOLIDADO (TEMPERATURA, UMIDADE E VENTO)
90
ANEXO J – SOFTWARE DE RECEPÇÃO ............................................................... 91
ANEXO K – SOFTWARE PROTOCOLO ZIGBEE – ESTAÇÃO CONCENTRADORA
93
ANEXO L – SOFTWARE EEPROM ......................................................................... 96
ANEXO M – SOFTWARE SERIAL ........................................................................... 97
ANEXO N – SOFTWARE BITBANG ........................................................................ 98
ANEXO O – ANEMOMETRO.................................................................................... 99
ANEXO P – TERMOPAR .......................................................................................... 99
ANEXO Q- CALORÍMETRO ................................................................................... 100
ANEXO R – DECIBELÍMETRO .............................................................................. 100
ANEXO S – GERADOR DE AUDIO ....................................................................... 101
ANEXO T – AFERIÇÃO .......................................................................................... 102
ANEXO U – IMPRESSÃO....................................................................................... 103
ANEXO V – ANÁLISE FMEA ................................................................................. 105
ANEXO X – SOFTWARE ESTAÇÃO METEREOLOGICA ..................................... 106
ANEXO Z – SOFTWARE ESTAÇÃO CONCENTRADORA ................................... 109
18
1
INTRODUÇÃO
Com a crescente preocupação e busca de informações acerca do meio
ambiente em que estamos inseridos, o monitoramento ambiental tem sido um fator
extremamente importante para a sociedade, pois é através dele que se pode
conhecer melhor as causas e as soluções para os impactos ambientais.
O monitoramento ambiental é um processo no qual envolve coleta de dados,
estudos e acompanhamento de variáveis ambientais com o objetivo de identificar os
fenômenos que ocorrem e avaliar as influências desses fenômenos em determinado
momento ou ao longo do tempo. Esse controle permite ainda, compreender melhor a
relação das ações do homem com o meio ambiente, e auxiliar na definição de
políticas ambientais.
Muitas vezes o monitoramento é feito em vários locais, o que acaba
constituindo uma rede de monitoração. Essa rede pode estar dividida em locais,
regionais e até internacionais, a qual permite ter um conhecimento maior sobre a
área de abrangência a fim de proporcionar um planejamento ambiental melhor. Um
exemplo a ser considerado é a monitoração dos níveis de ruído de uma avenida
movimentada em horários de maior concentração de automóveis, com intuito de
levantar a quantidade media de automóveis passantes e assim definir dados
inerentes à emissão de CO2 pelos automóveis nos horários de maior concentração.
Com isso o projeto da estação meteorológica surge para gerar soluções
voltadas para a área de pesquisa, a fim de proporcionar ao pesquisador uma base
de dados relevantes à sua pesquisa tais como temperatura ambiente, velocidade do
vento, umidade relativa do ar, ruído ambiente e precipitação.
1.1
OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Estudar e prototipar três estações meteorológicas móveis as quais funcionam
como uma rede de monitoramento, coletando dados do ambiente e enviando-os a
uma central, a qual enviará as informações a um dispositivo final que ficará
responsável por armazenar e organizar os dados.
19
1.1.2 Objetivos Específicos
O propósito desse projeto é estabelecer uma comunicação entre estações
meteorológicas móveis e uma central, que coletará os dados de temperatura
ambiente, umidade relativa do ar, velocidade do vento, níveis de ruído ambiente e
precipitação a fim de que um dispositivo final conectado a essa central possa ter
acesso a esses dados e utiliza-los da maneira que achar conveniente. Serão
utilizados sensores capazes de realizar as medições necessárias, rádios para a
comunicação das estações com a central e porta serial para a comunicação da
central com o dispositivo final. Essas medições serão úteis uma vez que poderá se
obter informações acerca do meio ambiente em que as estações estão inseridas.
Será possível saber, com as medidas de umidade e vento, por exemplo, se irá
chover.
1.1.3 Justificativa
O monitoramento ambiental, que é uma técnica de observação e medição de
parâmetros do meio ambiente, é muito utilizado hoje em dia visto que a preocupação
com o uso correto dos recursos naturais está em constante análise. Com essa
técnica pode-se conhecer o estado de preservação e as tendências qualitativas e
quantitativas dos recursos naturais, bem como as influências exercidas pelas
atividades humanas e por fatores naturais sobre o meio ambiente. Desta forma, o
resultado dessa análise poderá colaborar com medidas futuras de planejamento,
controle, recuperação, preservação e conservação do ambiente estudado. Com isso,
o projeto visa à entrega dos dados para profissionais que utilizam das informações
coletadas em suas pesquisas e trabalho. Proporciona também uma oportunidade de
aplicar os conhecimentos obtidos ao longo do curso de graduação de forma a
colaborar com o meio ambiente.
2
METODOLOGIA
Como o objetivo deste projeto envolve a criação de três estações
meteorológicas, se faz necessário dividir o estudo em blocos, conforme mostrado na
figura 1, com suas respectivas funções que posteriormente irão trabalhar em
conjunto.
20
Figura 1 - Diagrama de Blocos com representação do projeto
*Fonte: Os autores, 2013.
Foram realizados estudos de todos os componentes eletrônicos que fizeram
parte dos circuitos dos sensores visando uma maior confiabilidade do resultado.
Houve também a necessidade de realizar testes de parâmetro para comprovar que o
circuito confeccionado estava realmente produzindo o sinal de saída desejado. Para
realizar os testes foi necessário um levantamento de aparelhos de medições já
existentes no mercado. Depois de selecionados foi possível comparar os resultados
obtidos na saída de ambos os circuitos. Após obtenção de todos os dados referentes
aos sensores, os mesmos foram enviados a um microcontrolador que fez o
tratamento das informações. O envio das informações medidas pelos sensores
ocorre através de um módulo de transmissão sem fio. Por sua vez, a estação
concentradora possui um módulo de recepção sem fio para coletar os dados
enviados
pelas
três
estações
meteorológicas.
Outra
função
da
estação
concentradora é enviar os dados recebidos, via transmissão serial, ao dispositivo
final, que é o computador.
21
As
informações
coletadas
nas
três
estações
meteorológicas
ficam
disponíveis, ao final de todo processo, no computador para suas respectivas
análises ou estudos necessários de certa região. Abaixo, na figura 2, encontra-se
um diagrama do conceito de funcionamento da comunicação entre as estações.
Figura 2 - Diagrama de funcionamento do projeto
*Fonte: Os autores, 2013.
3
TECNOLOGIAS UTILIZADAS
Um sensor pode ser definido como um dispositivo que recebe e responde
com sinais elétricos a um estímulo ou sinal. O desenvolvimento de sensores e a sua
aplicação trouxe como consequência inúmeras vantagens ou comodidades para a
vida moderna. Apesar de ser imensa a variedade de sensores eletrônicos, eles
podem ser divididos basicamente em dois tipos: sensores analógicos e sensores
digitais. Essa divisão é feita de acordo com a forma a qual o componente responde à
variação da grandeza que está sendo monitorada. Os sensores analógicos são os
elementos que em suas saídas fornecem diferenças de potenciais.
Segundo Thomazini (2005, p. 18),
Esse tipo de sensor pode assumir qualquer valor no seu sinal de saída ao
longo do tempo, desde que esteja dentro da sua faixa de operação.
Algumas das grandezas físicas que podem assumir qualquer valor ao longo
do tempo são: pressão, temperatura, velocidade, umidade, vazão, força,
ângulo, distância, torque, luminosidade. Essas variáveis são mensuradas
por elementos sensíveis com circuitos eletrônicos não digitais.
22
A figura 3 mostra a variação de uma grandeza física de forma analógica.
Figura 3 - Sinal Analógico
*Fonte: Os autores, 2013.
Já os sensores digitais baseiam-se em níveis de tensão bem definidos.
Conforme Thomazini (2005, p. 18),
Esse tipo de sensor pode assumir apenas dois valores no seu sinal
de saída ao longo do tempo, que podem ser interpretados como zero ou um.
Não existem naturalmente grandezas físicas que assumam esses valores,
mas eles são assim mostrados ao sistema de controle após serem
convertidos pelo circuito eletrônico do transdutor. É utilizado, por exemplo, em
detecção de passagem de objetos, encoders na determinação de distância ou
velocidade, etc.
A figura 4 mostra a variação de uma grandeza física de forma digital.
Figura 4 - Sinal Digital
*Fonte: Os autores, 2013.
23
Ao contrário de um sensor analógico, onde os valores possíveis são
teoricamente infinitos, um sensor digital poderá apenas alternar entre certos estados
bem definidos, não sendo possível haver um valor intermediário entre eles.
No projeto, foram utilizados sensores do tipo analógico, como por exemplo, o
de ruído ambiente e o de precipitação, e sensores do tipo digital, como o de
temperatura, umidade e vento, para o monitoramento do ambiente, os quais serão
descritos nos itens a seguir.
3.1
SENSOR DE VENTO
Um anemômetro é um instrumento utilizado para a medição da velocidade do
vento. Para agregar ao projeto, um sensor de vento foi construído para servir como
um anemômetro, capaz de medir a velocidade do vento a qualquer instante. Para
isso, nos itens a seguir serão apresentados os componentes, o software e o
hardware utilizados.
3.1.1 Cooler
O cooler foi o acessório utilizado para fazer a coleta das correntes de vento que
estão presentes no ambiente. A ideia inicial para a confecção do sensor seria utilizar
apenas a ventoinha de um cooler comercial e acoplar o eixo dessa peça a um
rolamento dentado utilizado em mouses com esferas, conforme mostrado nas
figuras 5 e 6, porém houve uma dificuldade de fixação dos dois eixos, uma vez que
não garantiam o equilíbrio da peça.
Figura 5 - Rolamento dentado do mouse
* Fonte: Os autores, 2013.
24
Figura 6 - Ventoinha do cooler
* Fonte: Os autores, 2013.
A solução adotada foi utilizar um cooler de mercado mostrados nas figuras 7 e
8, porem sem suas estruturas internas, tais como bobina e materiais que, através do
campo magnético gerado não o deixava ter um giro livre e solto. Depois de retirado
todo esse material, como mostrado na figura 9, a ventoinha foi acoplada novamente
a estrutura anterior e assim foi obtido um cooler com boa rotação a qualquer
corrente de vento, conforme a figura 10 abaixo.
Figura 7 - Cooler comercial
* Fonte: Os autores, 2013.
25
Figura 8 - Cooler comercial desmontado
* Fonte: Os autores, 2013.
Figura 9 - Cooler sem estruturas internas
* Fonte: Os autores, 2013.
Figura 10 - Cooler final sem estruturas internas
* Fonte: Os autores, 2013.
26
3.1.2 Diodo Emissor de luz (LED)
O diodo emissor de luz infravermelho ou LED, mostrado na figura 11, é um
tipo especial de diodo semicondutor que emite luz quando é polarizado diretamente.
Figura 11 - Diodo Emissor - LED
* Fonte: Os autores, 2013.
A circulação de corrente no diodo se processa pela liberação de portadores
livres na estrutura dos cristais, o deslocamento de portadores de banda de condução
provoca a liberação de energia (liberação de fótons) em forma de luz. Por esse
motivo, quando o LED é polarizado diretamente ele entra em condução e permite a
circulação da corrente. Existem diodos LEDs que emitem luz infravermelha. Estes
LEDs funcionam como os outros, porém a olho nu não se pode observar o feixe de
fótons infravermelho. No projeto foram utilizados LEDs de luz infravermelha.
3.1.3 Diodo Receptor de luz (Fotodiodo)
O diodo receptor de luz, ou fotodiodo, mostrado na figura 12, é um dispositivo
formado por uma junção entre dois semicondutores de características diferentes
(junção p-n). Esse dispositivo tem a propriedade de variar a sua resistência elétrica
em função da intensidade da luz (número de fótons) que incidem na junção. Na
ausência de luz, o fotodiodo conduz a corrente elétrica em um único sentido,
apresentando uma resistência elétrica muito elevada no sentido oposto. Quando a
luz incide na junção, a resistência no sentido oposto ao fluxo normal cai
abruptamente, o que permite um fluxo de corrente nos dois sentidos. O aumento da
corrente permite detectar a luz incidente e pode ser relacionada com a intensidade
luminosa que atinge a junção.
Figura 12 - Diodo Receptor - Fotodiodo
* Fonte: Os autores, 2013.
27
3.1.4 Resistores
Os resistores são elementos que transformam energia elétrica em energia
térmica (efeito joule), e apresentam resistência à passagem de corrente elétrica.
Basicamente são representados como na figura 13 e possuem aspecto físico
parecido com a figura 14.
Figura 13 - Representação do Resistor
* Fonte: Os autores, 2013.
Figura 14 - Aspecto Físico do Resistor
* Fonte: https://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/assets/c/4/a/9/d/515c7a2bce395f653d000002.png,
acessado em 2013.
Sua resistência, que é sua capacidade de se opor à corrente elétrica, pode
ser definida como uma função da tensão e da corrente, como mostra a equação (1)
abaixo, onde R refere-se à resistência, V refere-se à tensão, e i refere-se à corrente.
R 
V
i
(1)
28
3.1.5 Transistor
Segundo Tooley (2008), O transistor consiste de uma partícula de material
semicondutor, como o silício, a qual foi agregada uma pequena porção de um tipo de
determinada impureza, como o germânio. Esta impureza faz com o que o material passe
a conduzir corrente de forma semelhante a um condutor verdadeiro, com baixíssima
resistência elétrica, ou a impedir completamente sua passagem, como um isolante,
dependendo das circunstâncias. A este dispositivo são ligados três terminais que
recebem o nome de base, coletor e emissor, nos circuitos eletrônicos o mesmo é
representado pelo símbolo exibido na figura 15.
Figura 15 - Representação e Aspecto do Transistor
* Fonte: http://elk.informatik.fh-augsburg.de/da/da-31/DA/Abbildungen/AbbildungenZeichnungen/BC558B.gif, acessado em 2013.
Nos circuitos digitais seu funcionamento é muito simples. Emissor e coletor são
conectados em série a um circuito elétrico que pode ou não ser alimentado por uma
corrente. A base é ligada a outro ponto do circuito cuja finalidade é controlar o estado do
transistor. Quando uma tensão elétrica é aplicada à base, o transistor funciona como
condutor, permitindo que uma corrente elétrica flua entre emissor e coletor e alimente o
circuito ao qual está ligado. Quando a tensão aplicada à base é nula, o transistor se
comporta como um isolante, impedindo o fluxo da corrente e cortando a alimentação do
circuito.
3.1.6 Hardware
O esquemático do circuito do sensor de vento pode ser visto na figura 16 e
funciona conforme a incidência de luz no FOTO-DIODO. Quando não possui luz
entre o LED e o FOTO-DIODO (a aleta do cooler está bloqueando a passagem da
29
luz), o receptor possui uma resistência alta e seu terminal se comporta como um
circuito-aberto. Como o Resistor R2 está ligado diretamente à alimentação, a base
do transistor recebe nível lógico alto e o conjunto coletor/emissor funciona como um
curto-circuito. Com isso, o nível na saída (OUT) é zero, pois está ligada diretamente
ao polo negativo do circuito. Quando existe luz entre o LED e o FOTO-DIODO (a
aleta do cooler não está bloqueando a passagem da luz), o receptor possui uma
resistência baixa e seu terminal se comporta como um curto-circuito. Como a
corrente do circuito tende a passar por esse sempre, pois não encontra resistência à
sua passagem, a base do transistor recebe nível lógico baixo e o conjunto
coletor/emissor funciona como um circuito-aberto. Com isso, o nível na saída (OUT)
é um, pois essa está ligada diretamente ao resistor e ao polo positivo do circuito.
Figura 16 - Esquemático do Sensor de Vento
* Fonte: Os autores, 2013.
A saída do circuito foi acoplada ao microprocessador e através do software
implementado realiza as funções necessárias para o correto funcionamento do
sensor de vento. No anexo A encontra-se o hardware da placa de circuito impresso
para esse sensor.
3.1.7 Software
O software implementado foi desenvolvido em linguagem C e realiza a
interpretação do sinal de saída do hardware. Como foi explicada anteriormente, a
saída do circuito é um trem de pulsos digital.
30
O código utiliza de propriedades do próprio microcontrolador, que faz a
contagem de quantas vezes por segundo a aleta do cooler realiza um giro. Abaixo
serão descritas algumas funções mais relevantes do software deste sensor. O
código completo encontra-se no anexo B.
A função principal “ISR(TIMER0_OVF_vect)” é um contador. O registrador
TCNT0 seta a interrupção a cada milissegundo, então a cada tempo de interrupção
a variável “contams” soma um. Se essa variável chegar a mil (o que equivale a um
segundo), a variável “pulsos” recebe TCNT1 (que é o valor de saída do circuito que
está ligado no pino do microcontrolador), TCNT1 é zerado e a variável “contams”
também é zerada, começando assim uma nova contagem dentro de um segundo.
Como o valor de “pulsos” está em rotações por segundo e diz respeito a
apenas uma aleta do cooler, o software utiliza a equação (2) para encontrar o valor
de rotações por minuto, onde “pulsos” indica o número de rotações por segundo,
“60” à conversão de segundos para minutos e “nº aletas” o número de aletas do
cooler.
 pulsos * 60 


 n º aletas 
RPM
(2)
Calculado isso, o próximo passo é transformar a quantidade de rotações por
minuto em metros por segundo (m/s), para isso a equação utilizada é a equação (3),
onde “d(cm)” indica o diâmetro do cooler em cm, “  *d(cm)” a circunferência do
cooler e “RPM/60” o número de rotações por segundo.
VENTO
 RPM 
  * d ( cm )  * 

 60 
(3)
A partir daí, o código transforma a variável “VENTO”, que é o valor da
velocidade do vento em metros por segundo (m/s) em quilômetros por hora (km/h)
multiplicando o mesmo por 3,6, que é o fator de conversão.
3.2
SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE
O objetivo do sensor de temperatura e umidade é coletar esses dados de
forma confiável para agregar ainda mais aos outros dados do projeto. Para suprir
essa necessidade, foi utilizado um módulo coletor já existente no mercado. O
módulo escolhido pertence à família DHT, e pode ser visto na figura 17.
31
Figura 17 – DHT 11
*Fonte: *Fonte: DHT11 Humidity & Temperature Sensor Datasheet,
http://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf
O DHT11 é um sensor de temperatura e umidade com saída digital que
fornece as medidas de maneira eficiente, porem com margens de erro de 2 a 5%. O
elemento sensor de temperatura é um termistor do tipo NTC e o sensor de umidade
é do tipo HR202. O circuito interno faz a leitura dos sensores e se comunica a um
microcontrolador através de um sinal serial.
Abaixo se encontra representado por meio da tabela 1 as principais
características elétricas do sensor DHT11.
Tabela 1 - Características Elétricas DHT11
Condições
Mínimo
Típico
Máximo
Tensão
Corrente
Contínua
3V
5V
5.5V
Corrente
Medida
0.5mA
2.5mA
Média
0.2mA
1mA
Repouso
100uA
150uA
Segundo
1
Período de
amostragem
*Fonte: DHT11 Humidity & Temperature Sensor Datasheet,
http://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf
Para que o sensor comece a funcionar e retornar os dados referentes à
temperatura ambiente e umidade relativa, um protocolo padrão fornecido pelo
fabricante através de seu manual de funcionamento precisa ser seguido. A seguir
estarão descritos os elementos sensores, o software e o hardware implementados.
32
3.2.1 Elementos sensores
3.2.1.1 Termistor do Tipo NTC
Figura 18 - Termistor do Tipo NTC
*Fonte: http://image.made-in-china.com/2f0j00JvytjoCKisgZ/Varistor-Ntc-Thermistor-PTCThermistor.jpg, acessado em 2013.
O termistor é um dispositivo elétrico que tem a sua resistência elétrica
alterada termicamente, ou seja, apresentam um valor de resistência elétrica para
cada temperatura. Existem dois tipos de termistores, o tipo PTC, que aumenta sua
resistência elétrica com o aumento da temperatura, e o tipo NTC visto na figura 18,
que diminui sua resistência elétrica com o aumento da temperatura. Na figura 19
esta representada o comportamento das suas resistências em função do aumento
da temperatura nos dois tipos de termistores.
Figura 19 - Comportamento de um termistor do tipo NTC e PTC.
*Fonte: Circuitos Eletrônicos: Fundamentos e Aplicações, Mike Tooley, pág. 28.
33
3.2.1.2 HR202
O sensor de umidade HR202 é um dispositivo resistivo sensível à umidade.
Possui uma variação de 20 a 95% e precisão de 5% para mais ou para menos. Ele é
composto de trilhas metálicas, como pode ser visto na figura 20.
Figura 20 - Sensor de umidade HR202
*Fonte: Resistive humidity sensor, Model: HR202 Datasheet,
https://d9cq1vhji0gn4.cloudfront.net/blog/wp-content/uploads/wpsc/downloadables/HR202Datasheet.pdf
3.2.2 Hardware
Para o correto funcionamento do sensor, foi confeccionada uma placa de
circuito impresso que respeita as ligações elétricas informadas no manual do
fabricante, conforme a figura 21.
Figura 21 - Ligações elétricas do Sensor de Temperatura e Umidade
*Fonte: DHT11 Humidity & Temperature Sensor Datasheet,
http://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf
34
Como o módulo já vem em forma de circuito integrado, foi necessário apenas
inserir um resistor de pull-up na sua conexão com o microcontrolador a fim de evitar
a flutuação de tensão na entrada do circuito. O circuito correspondente ao hardware
que foi confeccionado pode ser visto na figura 22 e seus pinos podem ser
entendidos da seguinte forma: “GND” é a alimentação negativa do sensor; “GND
out” é o pino comum de GND do sistema sensor microcontrolador; “5V”: é a
alimentação positiva do sensor, e; “OUT” é o terminal que fornece o trem de pulsos
que é interpretado pelo microcontrolador.
Figura 22 - Circuito do sensor de temperatura e umidade
*Fonte: Os autores, 2013.
No anexo C encontra-se o hardware da placa de circuito impresso para esse
sensor.
3.2.3 Software
O processo de comunicação entre o microcontrolador e o sensor DHT11
começa quando o microcontrolador envia um sinal inicial solicitando os dados de
temperatura e umidade. O sensor então muda seu estado de baixo consumo para o
modo de execução, esperando pelo sinal inicial completo do microcontrolador. Ao
perceber que o sinal foi recebido completamente, o sensor envia um sinal de
resposta de 40 bits ao microcontrolador, que inclui as informações de umidade
relativa e de temperatura. Uma vez que a informação foi coletada e enviada, o
sensor retorna ao seu estado de baixo consumo e não funcionará mais até que o
microcontrolador solicite os dados novamente. Na figura 23, esse comportamento
pode ser mais bem entendido.
35
Figura 23 - Comportamento geral do DHT11
*Fonte: DHT11 Humidity & Temperature Sensor Datasheet,
http://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf
Quando a comunicação entre o microcontrolador e o DHT11 começa, o
código implementado no MCU muda o nível de tensão de alto para baixo e espera
pelo menos 18 milissegundos (ms) para garantir que o sensor detecte esse sinal.
Então o microcontrolador muda o nível de tensão para alto e espera de 20 a 40
microssegundos (us) pela resposta do sensor.
Uma vez que o DHT11 detecta o sinal inicial, ele enviará ao microcontrolador
um sinal de baixa tensão, a qual dura 80 microssegundos (us). Então o código do
DHT11 muda o nível de tensão de baixo para alto e espera 80 microssegundos (us)
para a preparação do envio do dado.
Quando o sensor está no nível baixo de tensão, após todos esses tempos,
significa que o sensor esta enviando o sinal de resposta. Uma vez que isso ocorre,
ele vai para o nível alto de tensão e o mantém durante 80 microssegundos (us) e
prepara para a transmissão. Todos esses passos podem ser vistos na figura 24 a
seguir.
Figura 24 - Comportamento do MCU
*Fonte: DHT11 Humidity & Temperature Sensor Datasheet,
http://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf
36
Quando o DHT11 está enviando os dados ao microcontrolador, cada bit do
dado começa com 50 microssegundos (us) de nível de tensão baixo e o
comprimento seguinte do nível alto de tensão determina se o bit é zero ou um;
Se o comprimento for de 26 a 28 microssegundos (us), significa que o bit é
zero, como mostra a figura 25.
Figura 25 – Representação um dos bits com valor zero
*Fonte: DHT11 Humidity & Temperature Sensor Datasheet,
http://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf
Se o comprimento for de 70 microssegundos (us), significa que o bit é um,
como mostra a figura 26.
Figura 26 - Representação dois dos bits com valores um
*Fonte: DHT11 Humidity & Temperature Sensor Datasheet,
http://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf
37
O dado retornado pelo sensor de temperatura e umidade possui 40 bits e estão
divididos sequencialmente da seguinte maneira: 8 bits referem-se ao valor inteiro da
umidade, 8 bits referem-se ao valor decimal da umidade, 8 bits referem-se ao valor
inteiro da temperatura, 8 bits referem-se ao valor decimal da temperatura e os
últimos 8 bits referem-se à verificação, chamado de checksum, que é uma
confirmação ao microcontrolador de que todos os dados anteriores foram entregues
corretamente.
Todo esse protocolo padrão para a comunicação entre o sensor e o
microcontrolador foi desenvolvido em linguagem C. Todas as funções do algoritmo
junto com imagens do seu funcionamento encontram-se no anexo D.
3.3
SENSOR DE RUÍDO
O ruído nada mais é do que qualquer tipo de som que pode causar sensação
de desconforto e está presente no dia-a-dia dos seres humanos. Por exemplo, uma
avenida movimentada com carros buzinando e guardas apitando. É sabido que a
exposição em excesso a esses ruídos pode causar problemas de saúde ou piorálos, além de gerar impactos na qualidade de vida das pessoas.
Com o intuito de buscar possíveis soluções para contornar esse tipo de
problema que tanto incomoda a sociedade, ao projeto foi adicionado o sensor de
ruído, que é responsável por capturar os sinais ruidosos mais intensos do ambiente.
Para isso, nos itens a seguir serão apresentados os componentes, o software e o
hardware utilizados.
3.3.1 Capacitores
Figura 27 - Aspecto Físico do Capacitor
* Fonte: http://www.eletronicadidatica.com.br/componentes/capacitor/capacitores.png
38
Os capacitores, mostrados na figura 27 de várias formas diferentes, são
dispositivos com capacidade de armazenar energia elétrica em forma de campo
elétrico. São constituídos de duas peças condutoras que são chamadas de
armaduras. Entre essas, existe um material dielétrico, que é uma substância isolante
que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de corrente elétrica, sendo
possível aproximar essas placas sem o risco de que ocorra a descarga do campo
armazenado. Esses elementos são representados como a figura 28.
Figura 28 - Representação do Capacitor
* Fonte: Os autores
Sua capacitância, que é a quantidade de energia que o dispositivo pode
armazenar, pode ser definida como uma função do quociente entre a quantidade de
carga e a diferença de potencial, como mostra a equação (4), onde “C” refere-se à
capacitância; “Q” refere-se à quantidade de carga e “V” refere-se à diferença de
potencial.
C 
Q
(4)
V
3.3.2 Resistores
Ver sessão 3.1.4.
3.3.3 Amplificador Operacional
Figura 29 - Aspecto Físico do Amplificador Operacional
*Fonte: http://www.wvshare.com/img/photos/LM324N-TI_l.jpg, acessado em 2013.
39
Segundo Sadiku (2013), um amplificador operacional, como mostrado na
figura 29, é um circuito integrado utilizado em um grande número de aplicações,
dentre elas controle de processos, amplificação, regulação de sistemas, operações
lineares e não lineares e filtragem. A figura 30 representa seu símbolo.
Figura 30 - Representação do Amplificador Operacional
*Fonte: Os autores, 2013.
Esse dispositivo é composto por duas entradas (uma inversora (-) e outra não
inversora (+)) e uma saída. Sua saída é proporcional à diferença de tensão entre as
suas entradas, como mostra a equação (5), onde “V0” é a tensão de saída, “Av” é o
ganho do circuito, e “Vi” é a tensão de entrada.
V 0  Av * Vi
(5)
O amp-op pode ter várias configurações, porém no projeto esse dispositivo foi
utilizado como um amplificador inversor. Para configurá-lo dessa forma, é preciso
liga-lo a duas resistências, como pode ser visto na figura 31. Esse tipo de
configuração faz com que a saída seja uma réplica amplificada do sinal de entrada,
com um ganho de R7/R4, mas com a fase invertida, como a equação (6)
apresentada, o que no projeto é essencial, para que o microfone obtenha um ganho
de tensão.
Figura 31 - Configuração do Amp-Op
*Fonte: Os autores, 2013.
Vo  
R7
R4
Vin
(6)
40
3.3.4 Microfone de eletreto
Figura 32 - Microfone de eletreto
*Fonte: http://hobbyeletro.blogspot.com.br/2012/02/interruptor-acionado-por-palmas.html acessado
em 2013
O microfone de eletreto, conforme mostrado na figura 32, principal componente
do circuito, é um dispositivo de tamanho bastante reduzido e extremamente
sensível, que auxilia no processo de captação do ruído ambiente que o projeto
previu. O microfone de eletreto possui um diafragma, conforme a figura 33, que é
uma película fina e flexível, que vibra quando as ondas incidem sobre ela. O modo
como essa vibração é convertida em um sinal elétrico caracteriza o tipo de
microfone. Além do diafragma, no microfone de eletreto existe uma pequena placa
de metal, as quais juntas formam um capacitor. A vibração do diafragma faz com o
que a distancia entre elas varie e, consequentemente a capacitância. Como a carga
do capacitor se mantém constante, a tensão entre o diafragma e a placa varia,
conforme fórmula apresentada na sessão 3.3.1. O sinal elétrico resultante dessa
variação de tensão reproduz a vibração do diafragma, a qual pode ser amplificada e
reproduzida através do autofalante. A diferença do microfone de eletreto para o
capacitivo é que o seu diafragma possui uma fina película de eletreto, um material
que quando eletrizado, mantém sua carga constante. Isso permite que esses
microfones operem com tensões mais baixas, não sendo necessário alimentá-lo com
algumas dezenas de Volts, como no caso dos capacitivos. Além disso, para eliminar
os problemas de impedância e capacitância nos terminais do microfone, esse, conta
internamente com um transistor. Por esse motivo os microfones de eletreto
necessitam de alimentação para funcionarem e possuem polaridade definida, não
sendo possível seu funcionamento caso sejam invertidos.
41
Figura 33 - Estrutura Interna do Microfone de Eletreto
*Fonte: Os autores, 2013.
3.3.5 Hardware
O sensor de ruído utilizado no projeto foi elaborado a partir de elementos
passivos tais como resistores capacitores, e o elemento ativo amplificador
operacional, além do microfone de eletreto para a captação do ruído, como pode ser
visto na figura 34.
Para a utilização do microfone de eletreto, devido ao transistor interno (ver
sessão 3.3.4), é necessária uma fonte de alimentação. A fim de limitar a corrente
entre a alimentação e o microfone, foi necessário utilizar um resistor (R1). Como o
terminal positivo do microfone será ligado ao receptor do sinal, que também estará
ligado à alimentação (através do resistor), se fez necessário o uso de um capacitor
(C1) a fim de separar o sinal CC (que alimenta o circuito), do sinal CA (o sinal
variável que será gerado pelo microfone). Para realizar a interligação do microfone
a um amplificador, se fez necessário adequar a tensão de repouso desse sinal
quando nenhum som é captado pelo microfone. O sinal gerado pelo microfone,
quando algum som é captado, é alternado e a sua tensão varia acima e abaixo da
tensão de repouso. Como o conversor A/D não pode ler tensões negativas foi
necessário grampear o sinal da entrada fornecendo um sinal de repouso acima do
zero, permitindo que o valor mínimo do sinal alterado fosse zero. O divisor de tensão
formado por R2 e R3 serve para fixar a tensão de repouso em 2,5V. Como o sinal na
saída desse circuito é baixo, fez-se necessário a utilização de um amplificador afim
de que a diferença entre os sinais de um som forte e fraco, captados pelo microfone,
ficasse mais clara. Para isso foi utilizado um amplificador operacional, que
42
juntamente com os resistores R4 e R7 está configurado de modo inversor, conforme
descrito na sessão 3.3.3. Os resistores R5 e R6 desempenham papel semelhante
aos resistores R2 e R3, porém fixam a tensão na entrada não inversora. Um filtro
passa-alta ainda é colocado na saída do circuito para que apenas sinais acima de
20Hz possam ser utilizados como dados para o monitoramento. A partir daí, o
circuito é acoplado a um conversor A/D que está associado ao microcontrolador, e
serve para a análise dos dados.
Figura 34 - Circuito do sensor de ruído
*Fonte: Os autores, 2013.
No anexo E encontra-se o hardware da placa de circuito impresso para esse
sensor.
3.3.6 Software
O software implementado foi desenvolvido em linguagem C e realiza a
interpretação do sinal de saída do hardware. Como esse sinal é analógico, o
software utiliza-se de uma rotina que serve para amostrar o mesmo. Essa rotina
funciona como um comparador entre uma variável chamada “max”,
e a outra
variável chamada “conversao”. A variável “conversao” refere-se ao sinal que é lido
na saída do hardware, enquanto que a variável “max” refere-se ao valor que será
comparado. A rotina lê o sinal de saída (“conversão”) e opera diante da condição de
que se essa variável for maior que a variável “max”, a variável “max” recebe o valor
da variável “conversão”. Para garantir que em um intervalo de tempo o numero de
amostras seja suficiente para constituir o sinal de saída original, essa rotina é
executada 50 vezes. Dessa forma, a variável “max” terá sempre o valor máximo que
foi lido, garantindo assim o maior valor dentro de um intervalo de tempo, que
43
corresponde ao valor de tensão que o microfone está captando. O código completo
encontra-se no anexo F.
3.4
SENSOR DE PRECIPITAÇÃO
Um sensor de precipitação ou pluviômetro é um instrumento destinado a
medir a precipitação (chuva). Esse tipo de sensor é parte extremamente
complementar aos dispositivos de monitoramento ambiental, pois informa ao usuário
as características referentes à chuva, como por exemplo, qual será a probabilidade
de chover naquela região.
No projeto, o objetivo principal é simplesmente proporcionar ao usuário a
informação referente à chuva: se está acontecendo ou não. Abaixo serão descritos
os componentes utilizados, bem como o hardware e o software implementados.
3.4.1 Resistores
Ver sessão 3.1.4.
3.4.2 Hardware
O circuito baseia-se em uma placa de circuito impresso em forma de trilhas
metálicas e perfurada, acompanhadas de um resistor de pull-up, como pode ser
visto na figura 35.
Figura 35 - Circuito do Sensor de Chuva
*Fonte: Os autores, 2013.
44
Quando as trilhas metálicas estão secas, devido ao resistor de pull-up, a
resistência entre elas é muito grande, o que pode ser considerado um circuito
aberto, como pode ser visto na figura 36, resultando no sinal de saída próximo ao
valor do sinal de entrada, que é 5V.
Figura 36 - Comportamento do Sensor de Chuva - Seco
*Fonte: Os autores, 2013.
Quando as trilhas se molham, a resistência entre elas diminui. As trilhas
fecham entre si um curto-circuito, como pode ser visto na figura 37, resultando no
sinal de saída próximo a 0V. Como a água não é um excelente condutor, mesmo
que as trilhas estejam completamente imersas nela, o sinal de saída nunca chegará
a 0V.
Figura 37 - Comportamento do Sensor de Chuva - Molhado
*Fonte: Os autores, 2013.
45
Com isso, o objetivo do sensor de chuva pode ser concluído, uma vez que na
presença ou ausência de água, seu nível de tensão na saída é alterado. Essa saída
é ligada no conversor A/D do microcontrolador, que tratará informações necessárias.
No anexo G encontra-se o hardware da placa de circuito impresso para esse sensor.
3.4.3 Software
O software implementado foi desenvolvido em linguagem C e realiza a
interpretação do sinal de saída do hardware. Como esse sinal é analógico, o
software se encarrega de ler e interpretar o mesmo. Uma rotina de coleta de dados
foi implementada para que a cada milissegundo, o microcontrolador leia o sinal de
saída do hardware e se some. Essa rotina é executada 64 vezes para que se tenha
uma melhor resolução do resultado. A partir daí, o software converte esse valor em
tensão e se encarrega de verificar em qual estado está inserido o valor obtido
através da rotina. Se for entre 1,5 e 3,0V, significa que está chovendo; Se for entre
3,1 e 4,5, significa que pode estar chovendo, e finalmente se a tensão estiver entre
4,51V e 5,0V significa que não está chovendo. O código completo encontra-se no
anexo H.
Para consolidar os hardwares existentes no projeto, vários estudos foram
feitos a fim de construir uma placa única com todos, porém muita dificuldade foi
encontrada devido à grande quantidade de trilhas existentes. Somente os sensores
de temperatura, umidade e vento puderam ser consolidados em um único hardware,
o qual se encontra anexo I.
3.5
REDE DE SENSORES SEM FIO
As redes de sensores sem fio (RSSF) tem sido um tema de bastante
relevância e estudo no ambiente acadêmico e no âmbito comercial. As RSSFs têm
como característica um sistema constituído de diversos nós, que representam uma
estação de coleta e transmissão de dados. Os elementos de comunicação
responsáveis pelo envio de dados geralmente são os responsáveis por gargalos na
otimização do projeto. Para que isso não ocorra tem-se a necessidade que a
comunicação seja feita por circuitos exatamente calibrados e bem dimensionados.
Conforme Raghavendra (2004), as redes de sensores sem fio podem operar durante
46
largos períodos sem a intervenção humana, sendo que esse tempo depende da
quantidade de energia de cada sensor. Portanto pode-se concluir que projetos bem
elaborados estendem sua durabilidade.
Dentre as tecnologias utilizadas para confeccionar uma rede com essas
características pode-se citar o bluetooth e zigbee, das quais são as mais utilizadas
hoje.
3.5.1 Bluetooth
O Bluetooth é um padrão global de comunicação sem fio e de baixo consumo
de energia que permite a transmissão de informações entre dois equipamentos.
Esse protocolo foi projetado para ser utilizado no mundo todo e por essa razão
utiliza a faixa de frequência chamada de ISM (Industrial, Cientifica, Médica),
operando na faixa de frequência de 2.4 GHZ até 2.5GHZ. Por essa faixa de
frequência ser aberta para uso de outros protocolos o Bluetooth utiliza uma técnica
de divisão da frequência em canais, chamado FH-CDMA. Os dispositivos da rede
realizam o salto de canais em um curto espaço de tempo, gerando assim, uma
pequena largura de banda, diminuindo sensivelmente as chances de interferência.
De acordo Emerson (2008), no Bluetooth pode-se utilizar até 79 frequências dentro
da faixa ISM, cada uma distanciada da outra por 1 MHZ.
A estrutura do protocolo Bluetooth consiste em três grupos lógicos. Eles são
separados em grupo de protocolos de transporte, grupo de protocolos de
middleware e o grupo de aplicação. Pode-se notar essa topologia na figura 38.
Figura 38 – Estrutura do Protocolo Bluetooth
*Fonte 2: Tese de mestrado Ferdinando Monsignore Sensoriamento de ambiente utilizando padrão
Zigbee
47
A camada de transporte tem a função de localizar outros dispositivos e
gerenciar links físicos e lógicos para as camadas superiores. Esse grupo de
protocolo suporta tanto comunicação síncrona quanto assíncrona.
A camada de middleware é responsável por possuir protocolos de terceiros e
padrões industriais. Permitindo assim que haja uma integração de uma aplicação já
existente ou nova com a plataforma Bluetooth.
A camada de aplicação consiste das próprias aplicações que utilizam links
dessa tecnologia. Estas podem incluir aplicações legadas ou aplicações orientadas a
Bluetooth.
A confecção da rede é baseada na topologia mestre e escravo. Portanto o
dispositivo que realiza a conexão é chamado de mestre e os demais são
considerados os escravos. Existe uma limitação referente ao número máximo de
dispositivos conectados na rede. Esse número é de sete escravos e um mestre. Esta
conexão é chamada de piconet, na qual só existe um canal de comunicação entre
escravos e mestre. Para expandir a rede de conexão Bluetooth utilizam conexões do
tipo scatternet que de acordo com Rafael Antônio (2008), a scatternet representa a
união de várias piconets independentes e não sincronizadas que podem se sobrepor
ou existir em uma mesma área. Na figura 39 pode se verificar a configuração das
conexões Bluetooth.
Figura 39 - Configuração das Conexões Bluetooth
*Fonte: Tese de Mestrado Rafael Antônio Asatiany, Evolução das Redes sem fio.
3.5.2 Zigbee
O padrão Zigbee foi criado em 2004 por um grupo empresarial chamado
Zigbee Alliance. Este grupo empresarial é formado por várias grandes empresas, por
exemplo: Motorola, Philips, Agere System dentre outras. Este modelo foi
desenvolvido com intuito de permitir a comunicação sem fio de baixo consumo de
48
energia e possibilitar um controle seguro da rede com aplicações de monitoramento.
Na figura 40 podem-se verificar alguns módulos Zigbee.
Figura 40 - Módulos Zigbee
*Fonte: http://www.rogercom.com/index.htm, acessado em 2013.
O Zigbee utiliza o padrão 802.15.4 no qual opera em bandas de frequências
livres, situadas nas faixas de 915 MHZ (América), 868 MHZ (Europa) e 2.4 GHZ
(Global). As redes compostas por essa tecnologia oferece uma excelente imunidade
contra interferências e possui a capacidade de hospedar milhares de dispositivos,
chegando até 65.000. As taxas de transferências de dados podem variar de 20 kbps
a 250 kpbs dependendo do modelo do dispositivo. Segundo Dantas (2010), zigbee é
uma especificação para redes sem fio pessoais (WPANS) baseado acima das
camadas do modelo 802.15.4 do IEEE onde implementa principalmente as tarefas
de segurança e roteamento enquanto o padrão 802.15.4 implementa as camadas
físicas do dispositivo com também as camadas de MAC.
O protocolo em questão é destinado a aplicações industriais, residencial,
automação predial dentre outras aplicações, portanto, o fator velocidade não é critico
numa implementação. Apesar dessas aplicações não precisarem de elevadas taxa
de dados, cada cenário tem que trabalhar com uma taxa mínima para desempenhar
sua função. Na figura 41, se encontra uma comparação do alcance versus taxa de
dados das tecnologias sem fio que estão no mercado hoje.
49
Figura 41 - Comparação entre os principais padrões de redes sem fio.
*Fonte: Hearst Electronic Products (2013).
O Zigbee foi concebido para prover interoperabilidade entre dois dispositivos
produzidos por fabricantes diferentes. Isso significa que existe a possibilidade de
utilizar módulos Zigbee de diferentes fabricantes em uma rede, desde que utilizem o
padrão do protocolo para tal.
Os dispositivos de rede que utilizam a plataforma Zigbee são divididos em
dois segmentos de rede, o que possuem função completa (FFD) e os que possuem
função reduzida (RFD). O primeiro é apto a funcionar como coordenador da rede ou
desempenhar função de roteador. Geralmente são mais complexos e possuem um
poder computacional elevado. Já o segundo são equipamentos mais simples
eletronicamente e atuam apenas como dispositivo final. Sua simplicidade tem como
vantagem um consumo de energia melhor.
As classes lógicas dos dispositivos que utilizam a plataforma Zigbee podem,
de acordo com sua função na rede, ser classificados como coordenador, dispositivo
final ou roteador.
O coordenador é responsável pela criação e manutenção da rede. É um
dispositivo que sempre permanece ativo.
O roteador é responsável pela distribuição dos dados para a rede por isso
possuem uma complexidade eletrônica maior. São utilizados em redes com
topologia de cluster ou malha.
O dispositivo final é o elemento mais simples eletronicamente, portanto o mais
barato na rede. Passam o maior tempo inativo realizando outras atividades e são
ativos apenas para o transporte ou recebimento das informações.
50
A camada de rede do Zigbee pode possuir três topologias e dentre elas as
mais usuais são as formações em arvore, malha e estrela.
Estrela: Essa topologia possui apenas um coordenador central e possui como
vantagem uma grande economia de energia. O ponto negativo dessa formação é o
curto alcance e a dependência voltada apenas a um coordenador.
Malha (mesh): Essa topologia é muito flexível, pois o pacote de dados pode
percorrer diversos caminhos visando sempre o caminho mais curto. Apresenta
também uma maior segurança e escalabilidade. A desvantagem dessa formação é
que continua presa a apenas um coordenador.
Arvore
(cluster):
tem-se
como
característica
uma
topologia
hibrida,
combinando o melhor das configurações Estrela e Malha. Possui mais que um
coordenador e o número de roteadores aumentam significativamente, sendo assim,
melhorando a segurança e alcance da rede. A figura 42 possui exemplo ilustrado
das topologias.
Figura 42 - Topologias
*Fonte: http://www.gta.ufrj.br/grad/07_1/zigbee/topologias.html
A pilha de protocolos das redes que utilizam a plataforma Zigbee é divida em
cinco campos, conforme mostrado na figura 43.
51
Figura 43 - Protocolos de Rede que utilizam a plataforma Zigbee
*Fonte: http://www.teleco.com.br/pdf/Tutorialzigbee.zip>, acessado em 2013.
PHY: Camada física responsável por acomodar as necessidades de
interfaces de baixo custo, disponibilizando níveis elevados de integração. Nessa
camada é utilizada uma técnica de transmissão chamada Direct Sequence Spread
(DSS) que tem como objetivo simplificar os equipamentos que compõem a rede.
MAC: Camada projetada com intuito de reduzir a complexidade e permitir
topologias múltiplas. Isso é considerado um ganho no quesito de gerencia de
energia, não sendo necessários modos de operações complexos.
Rede (NWK): Tem como objetivo desenvolver soluções de custo-desempenho
das aplicações através de algoritmos que permitem a implementação da pilha de
protocolo.
Segurança (SSP): O objetivo dessa camada é fornecer serviços de segurança
através de trocas de chaves que garantem a comunicação.
Suporte a Aplicação: Responsável pelo envio de informações para diferentes
dispositivos da rede.
Aplicação/Perfil: Camada responsável pelo uso das aplicações geradas pelo
cliente.
3.5.3 Bluetooth x Zigbee
Esta seção trata-se de uma comparação entre as duas tecnologias
comumente utilizadas em redes sem fio.
A primeira e mais relevante diferença está no fato da aplicação delas. O
Bluetooth é mais apropriado na sincronização de computadores, dispositivos móveis,
52
impressoras, mouse sem fio. Enquanto o Zigbee é mais adequado para as
aplicações de monitoramento, sensores, automação.
As duas tecnologias possuem diferenças no que se refere a características
eletrônicas, conforme a tabela 2 abaixo.
Tabela 2 - Diferenças entre Bluetooth e Zigbee
Bluetooth
Zigbee
1Mbps-3Mbps
250Kbps
Corrente de Transmissão
40mA
30mA
Corrente em Standby
200uA
3uA
<100KB
>32KB
Tempo de Acesso a Rede
3s
30ms
Tempo de Transição de Escravos
(Dormindo para Ativo)
3s
30ms
2ms
15ms
1m-100m
1m-100m+
Número de Dispositivos
8
65535
Consumo de Bateria
*Fonte: Os autores, 2013.
Dias
Anos
Taxa de Transferência
Memória
Tempo de Acesso ao Canal
Alcance
Conforme se pode notar o Bluetooth é uma tecnologia que possui uma taxa
de transferência na ordem dos megabytes por segundo e seu consumo de energia é
relativamente grande. Outro fator importante a se destacar é o fato da rede suportar
apenas oito dispositivos. Isso faz com que sua aplicação seja focada em sistemas
menores.
Por outro lado, o Zigbee possui taxas de transmissão na ordem de kilobytes
por segundo e seu consumo de energia é baixo. Sendo assim a durabilidade da
bateria é da ordem de anos. Um fato interessante a salientar é a expressiva
capacidade de dispositivos em uma topologia.
Um item interessante a ser destacado é a realidade de mercado das duas
tecnologias. A mais usada é o Bluetooth por estar ligada a equipamentos que são de
necessidade humana hoje. Como por exemplo, computadores, tablets, celulares.
Além disso, a tecnologia está presente em no dia-dia da população desde 1999,
enquanto o Zigbee foi lançado em meados de 2003. Apesar de o Zigbee ser uma
tecnologia voltada para área de automação, a cada dia que passa ele vem
conquistando mercado, até mesmo onde o Bluetooth é líder. Abaixo nas figuras 44 e
45
estão
representados
normalmente.
mercados
aonde
as
tecnologias
citadas
atuam
53
Figura 44 - Aplicação Bluetooth
*Fonte: Tese de mestrado Rafael Antônio Asatiany. Evolução das Redes sem fio.
Figura 45 - Aplicação Zigbee
*Fonte: Tese de mestrado Rafael Antônio Asatiany. Evolução das Redes sem fio.
3.6
REDE SEM FIO UTILIZADA
Para o projeto da estação meteorológica móvel foi escolhido, com o intuito de
realizar a transmissão e recepção dos dados, a tecnologia Zigbee. Na seção anterior
foram descritas algumas características e aplicações dessa tecnologia e pode-se
54
notar que é as especificações se enquadram nas propriedades do projeto
desenvolvido.
Os módulos Zigbee possuem dois modos de operação, o modo transparente
e o modo API. O primeiro se destaca pela facilidade de uso e leveza. Funciona da
mesma forma que uma comunicação serial RS232 padrão, porém utilizando o ar
como meio. Já o segundo modo tem como característica uma solução mais
complexa e mais completa. No modo API os dados transmitidos e recebidos estão
contidos em forma de pacotes, conforme figura 46 abaixo.
Figura 46 - Pacote de Dados Transmitidos e Recebidos
*Fonte: http://www.rogercom.com/index.htm, acessado em 2013.
O modo escolhido para o contexto do projeto foi o transparente. Por ser uma
aplicação mais simplificada o desenvolvimento de um protocolo via firmware se fez
necessário. Mais adiante será explicado seu funcionado
A topologia de rede escolhida foi a estrela, que representa canais de
comunicação apenas entre as estações meteorológicas e a estação concentradora.
A figura 47 possui um exemplo do tipo de configuração aplicada no projeto.
Figura 47 - Configuração Zigbee
*Fonte: http://www.rogercom.com/index.htm, acessado em 2013.
Para realizar a configuração dos módulos utilizados na implantação da rede
foi utilizado o software livre da empresa Digi chamado X-CTU. O programa fornece
55
de uma forma simplificada todos os recursos que podem ser configurados no módulo
Xbee. A seguir na figura 48 encontra-se uma ilustração do software.
Figura 48 - Software X-CTU
*Fonte: Os autores, 2013.
Todo módulo Xbee possui um número de serie que faz menção ao endereço
MAC das placas de redes que são utilizadas em computadores. É através dessa
numeração que é feito o endereçamento dos módulos. No módulo concentrador os
campos DH e DL são configurados com zero e FFFF respectivamente. Já nos
dispositivos finais os campos DH e DL são preenchidos com o endereço alto e
endereço baixo do módulo concentrador que no projeto são 13A 200 e 409F70823
respectivamente. Todos os dispositivos da rede precisam ter o mesmo PAN ID, que
funciona como identificador da rede. Caso um módulo não possua essa numeração
igual ele estará incapacitado de realizar a comunicação.
3.6.1 Shield Xbee
Os módulos Xbee são tradicionalmente alimentados com uma tensão de 3,3
volts. Para realizar um ajuste de tensão e garantir uma maior segurança para os
dispositivos foi utilizado um shield produzido pela empresa Arduino. Esse
56
equipamento garante que surtos de tensão e correntes não danifiquem o rádio e ao
mesmo tempo realiza os ajustes necessários para que o módulo seja acoplado a
placa de circuito impresso principal. Abaixo na figura 49 encontra-se uma figura
ilustrativa do equipamento.
Figura 49 - Shield Arduino
*Fonte: Os autores, 2013.
3.6.2 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO
Conforme dito na seção 3.6 foi configurado nos módulos Xbee o modo de
operação transparente e devido sua simplicidade foi desenvolvido um protocolo de
comunicação para garantir a troca segura e sincronizada de dados.
O código desenvolvido para realizar a transmissão e recepção de pacotes foi
baseado no funcionamento do protocolo de redes TCP (Protocolo de Controle de
Transmissão), porém mais simplificado.
A ideia do firmware é garantir que a solicitação de dados, feita pela estação
concentradora, seja sincronizada e pontual. Isso quer dizer que a estação
concentradora irá primeiramente criar um canal de comunicação entre a estação que
ela deseja conversar e depois de criado a conexão começara a realizar troca de
pacotes para obtenção dos dados. Vale a pena destacar que todo pacote trocado
entre as estações dependem de uma sincronização previa, o que representa, como
por exemplo, a informação da velocidade do vento só será transmitida após a
estação concentradora solicitar o dado em questão e a estação meteorológica
correspondente confirmar o recebimento do pedido e só assim envia-lo. Agindo
dessa forma é garantida sempre a sincronização dos módulos envolvidos e que a
informação será transmitida de forma ordenada, lembrando muito a aplicação do
57
protocolo TCP. Na figura 50 pode-se verificar o funcionamento mais detalhado do
protocolo desenvolvido.
Figura 50 - Protocolo desenvolvido
*Fonte: Os autores, 2013.
Esse procedimento é realizado na solicitação dos dados referentes a
velocidade do vento, temperatura ambiente, umidade relativa do ar, ruído ambiente e
precipitação.
O protocolo leva em torno de quarenta segundos para obter todos os cincos
dados de uma determinada estação meteorológica. Considerando que a rede possui
três estações implementadas, é possível obter informações atualizadas, a cada um
minuto e meio aproximadamente, de ambientes totalmente distintos. Portanto um
banco de informações bastante significante é criado pode ser utilizado em diversos
estudos ou aplicações.
O firmware completo e comentado está no anexo J e K, onde esta descrito
todo o desenvolvimento e técnica utilizada tanto para transmissão quanto para
recepção dos dados.
58
3.7
MICROCONTROLADOR
Segundo BAER (2013), microcontroladores são dispositivos eletrônicos que
possuem em sua estrutura um sistema computacional completo, ou seja, possuem
CPU, memória, sistemas de clock, portas de E/S (entrada/saída), além de outros
possíveis periféricos integrados em um mesmo componente.
Um microcontrolador se diferencia do computador, justamente por acoplar
todos os periféricos em um único chip, uma vez que o computador precisa do
processador para realizar as suas funções.
Atualmente os microcontroladores vêm sendo cada vez mais utilizados em
circuitos e equipamentos eletrônicos, uma vez que esses possuem cada vez mais
tamanhos e formas reduzidas, são baratas e consomem pouca energia se
comparados a microprocessadores convencionais. Esse componente permite a
correção de erros mais facilmente no equipamento, pois é programável e não
necessita de correção física para resolver o problema. É muito útil na área de
automação residencial, controle de produtos e periféricos, como sistemas de
controle de motores, controles remotos, máquinas de escritórios, brinquedos, etc.
Por
se
tratarem
de
dispositivos
com
objetivos
específicos,
os
microcontroladores são muito eficazes para as aplicações que esse projeto prevê.
Nesse caso, será utilizado o microprocessador da família Atmel, o Atmega 16,
mostrado na figura 51, que é um microcontrolador de 8 bits de baixa potência com
base na arquitetura RISC AVR, que executa instruções em um único ciclo de clock,
alcançando aproximadamente 1 MIPS por MHz, permitindo o projetista do sistema
otimizar o consumo de energia em função da velocidade de processamento.
59
Figura 51- Microcontrolador Atmega 16
*Fonte: http://datasheet.seekic.com/ImageFile/ATM/Atmel_ATMEGA16-16AU80373.jpg, acessado em
2013
O microcontrolador Atmega 16 será responsável por acoplar todos os
sensores do projeto e também o rádio que será utilizado para a comunicação dos
sensores com a central, definindo assim uma estação meteorológica. Também será
utilizado na estação central com objetivo de compressão dos dados para o envio ao
dispositivo final.
Uma placa de desenvolvimento contendo o microcontrolador Atmega16 e
todos os recursos já citados nos itens anteriores foi utilizada em todas as estações
meteorológicas e na estação concentradora. A ilustração da placa encontra-se na
figura 52 abaixo.
60
Figura 52 - Placa de desenvolvimento
*Fonte: Kit Microcontrolador, Vilson Mognon e Ivan Chueiri.
3.7.1 Memória EEPROM
As memórias EEPROM têm como principal característica a capacidade de
permitir que dados sejam regravados no dispositivo.
O Atmega16 possui uma memória EEPROM interna com capacidade de
armazenamento de 512 bytes e com uma possibilidade tanto de escrita quando de
apagar dados de pelo menos cem mil vezes.
A memória está inclusa em uma parte importante do firmware, pois é nela que
são gravados todos os dados calculados e quando a estação concentradora solicita
uma comunicação os mesmo dados são lidos da memória EEPROM e enviados via
rádio.
O tamanho dela é relativamente bom, visto que os dados calculados são do
tipo inteiro, nos quais correspondem a 4 bytes. Portanto não é necessário se
preocupar com a capacidade de armazenamento.
No anexo L encontra-se o firmware desenvolvido e comentado utilizado para
gravação e leitura na memória EEPROM.
61
3.8
BIT BANG
Bit Bang é uma técnica de programação para criar uma comunicação serial no
formato RS 232, no anexo M encontra-se biblioteca de leitura escrita serial. Trata-se
de uma criação de toda a série de pulsos via firmware em vez de utilizar um
hardware. Houve a necessidade de realizar esse procedimento, pois a plataforma
utilizada no projeto possui apenas uma porta serial, na qual está acoplada ao
módulo Zigbee. Portanto para garantir a comunicação da estação concentradora
com o computador é necessário emular um pino de transmissão. Abaixo na figura 53
está representado o cenário descrito e o porquê da necessidade.
Figura 53 - Bitbang
*Fonte: Os autores, 2013.
O ajuste da velocidade de transmissão é realizado através de tempos de
atraso que garantem o correto tempo de bit. Portanto para alcançar uma taxa de
transmissão de 9600 bits por segundos é necessário que o período de cada pulso
seja 104 micros segundo, conforme figura 54. O anexo N possui o código completo e
comentado das técnicas implementadas.
Figura 54 - Período do Pulso
*Fonte: Os autores, 2013.
62
Portanto cada espaço de tempo foi configurado via firmware para possuir
tamanho de 104 microssegundos. Abaixo, na figura 55, segue o formato do pacote
que foi reproduzido para haver a comunicação serial emulado.
Figura 55 - Formato do Pacote de Comunicação
*Fonte:Construção De Um Sistema Eletrônico De Monitoramento De Consumo De Água Residencial,
Bruno Coutinho Fernandes.
4
PROCEDIMENTOS DE TESTES E VALIDAÇÃO DO PROJETO
Cada sensor foi testado separadamente, para isso, foram utilizados vários
equipamentos específicos para atender a cada aferição. O único sensor que não
precisou de equipamento para a aferição foi o sensor de precipitação, porem vários
testes
foram
elaborados
para
garantir
o
conhecimento
acerca
de
seu
comportamento. Os testes foram feitos mais de uma vez, a fim de mostrar que a
aferição feita para cada sensor está coerente e provar que os sensores construídos
podem servir de maneira segura para a coleta dos dados de temperatura, umidade,
velocidade do vento e precipitação. Abaixo serão descritos os equipamentos, os
procedimentos e os resultados obtidos com todos os testes.
4.1
TESTE DO SENSOR DE VENTO
Para a aferição do sensor de vento, o equipamento utilizado para fazer a
comparação foi um anemômetro, como mostrado no anexo O, o qual é utilizado para
fornecer a velocidade do vento tanto em m/s quanto km/h. Para esse teste, foi
simulada uma câmara de ar, onde o vento constante era gerado por um secador de
cabelos e era injetado em um cano de PVC de vários tamanhos que servia para
simular várias distâncias. O anemômetro foi colocado ao lado do sensor e os dados
63
foram coletados. A figura 56 mostra detalhadamente o cenário montado, onde “d”
indica a distância variável entre a fonte de vento e o sensor/anemômetro.
Figura 56 - Cenário para teste do Sensor de Vento
*Fonte: Os autores, 2013.
A figura 57 mostra o gráfico das medidas das velocidades (em km/h)
coletadas com o anemômetro e com o sensor de vento em função das distâncias.
Figura 57 - Gráfico Velocidade x Distância
*Fonte: Os autores, 2013.
Com isso, pode-se verificar que o sensor de vento possui comportamento
semelhante ao do anemômetro, uma vez que para cada variação de velocidade do
anemômetro, o sensor de vento varia da mesma forma. A discrepância de valores
entre os dois, pode se dar devido ao cooler do sensor e o cooler do anemômetro
serem diferentes. Por mais que o utilizado no projeto tivesse um giro leve e solto, o
giro do anemômetro é bem mais leve e solto, mas isso levaria a um estudo mais
afundo do caso.
64
4.2
TESTE DO SENSOR DE TEMPERATURA
Para a aferição do sensor de temperatura, o equipamento utilizado para fazer
a comparação foi um termopar, mostrado no anexo P, que são sensores de
temperatura simples e de baixo custo porem muito utilizados em processos de
medições de temperatura. O teste realizado foi constituído de uma cúpula, onde
alocava os sensores de temperatura e o termopar ao lado de um resistor que era
aquecido através de uma fonte com uma tensão fixa. Com a tensão fixa, a
temperatura do resistor era alterada devido a variação da corrente. Com isso foi
possível acompanhar o aquecimento do resistor, que serviu para simular a variação
da temperatura, e coletar os dados do termopar juntamente com os do sensor de
temperatura. A figura 58 mostra o cenário utilizado para a medição.
Figura 58 - Cenário de teste do Sensor de Temperatura
*Fonte: Os autores, 2013.
65
A figura 59 mostra o gráfico da variação da temperatura entre o termopar e o
sensor de temperatura coletados durante os testes.
Figura 59 - Gráfico da Temperatura
*Fonte: Os autores, 2013.
Com isso, pode-se verificar que o sensor de temperatura tem comportamento
semelhante ao do termopar, uma vez que a variação do sensor corresponde à
variação do termopar. A diferença de medidas entre o sensor e o termopar se deve
ao fato do software implementado não utilizar duas casas decimais do sensor de
temperatura, enquanto que o termopar utiliza, fornecendo um sinal com dez vezes
mais precisão.
4.3
TESTE DO SENSOR DE UMIDADE
Para a aferição do sensor de umidade, contamos com a colaboração do
laboratório presente na PUCPR, o LST. Esse laboratório conta com um equipamento
chamado calorímetro, mostrado no anexo Q, que é uma câmara que permite simular
e monitorar um ambiente com condições controladas de umidade e temperatura. O
teste realizado era constituído da câmara, que permitia definir níveis de umidade e
compará-los com os níveis do sensor construído. A figura 60 mostra o cenário
utilizado. A câmara se encarrega de refrigerar ou aquecer o ambiente de acordo
com o valor que é colocado, para umidade esse valor pode variar entre 10 e 95% e
para temperatura pode variar entre -10 e 60º Celsius.
66
Figura 60 - Cenário de Teste do Sensor de Umidade
*Fonte: Os autores, 2013.
Além do valor desejado é possível saber qual o nível de umidade da câmara,
com isso foi possível levantar a curva de resposta entre a câmara e o sensor de
umidade construído. A figura 61 mostra o gráfico da umidade medida com o sensor e
a atingida com a câmara em função da umidade desejada.
Figura 61 - Gráfico da Umidade x Umidade + Temperatura
*Fonte: Os autores, 2013.
Com isso, pode-se verificar que o sensor de umidade possui comportamento
semelhante ao comportamento da câmara, garantindo assim a capacidade do
sensor. A discrepância mínima entre os dois sensores se deu pelo fato do sensor
construído estar distante do sensor da câmara e pela câmara ser grande, o que
dificulta uma aferição com maior precisão.
67
4.4
TESTE DO SENSOR DE RUÍDO
Para a aferição do sensor de ruído, o equipamento utilizado foi o
decibelímetro, mostrado no anexo R, projetado para medir níveis de pressão sonora.
Porém como o sensor construído retorna níveis de tensão e o decibelímetro níveis
de potência, foi decidido que um cenário característico seria elaborado a fim de que
o ruído do ambiente pudesse ser controlado em níveis de potência. A partir daí a
curva de comportamento do sensor de ruído sob o cenário pode ser extraída e
comparada com a curva de comportamento do decibelímetro sob o mesmo cenário.
O cenário elaborado, como mostrado na figura 62, consiste da utilização de um
gerador de som, mostrado no anexo S, o qual gera sinais de várias frequências,
juntamente com um amplificador e um autofalante acoplados na sua saída. Na frente
do autofalante ficam o sensor de temperatura construído e o decibelímetro, para que
esses tenham a mesma fonte de entrada de ruído.
Figura 62 - Cenário Teste do Sensor de Ruído
*Fonte: Os autores, 2013.
A figura 63 mostra o gráfico do nível sonoro do decibelímetro (em dB) e o
nível sonoro do sensor de ruído com um fator de correlação em função da
frequência (em Hz). Esse fator de correlação serve para que a comparação entre o
decibelímetro e o sensor de ruído possa ser validada.
68
Figura 63 - Gráfico do comportamento do Sensor de Ruído
*Fonte: Os autores, 2013.
Com isso, pode-se afirmar que o sensor construído responderá de forma
semelhante
ao
decibelímetro,
indicando
quaisquer
níveis
sonoros,
porém
diferentemente do decibelímetro, o sensor construído retorna níveis de tensão.
4.5
TESTE DO SENSOR DE PRECIPITAÇÃO
Para a aferição do sensor de precipitação não foram utilizados equipamentos,
uma vez que o objetivo do mesmo é informar ao usuário se está, se não está ou se
pode estar chovendo. Portanto, vários testes foram realizados a fim de estabelecer
os limites de tensão para cada estado, o qual é mostrado na figura 64.
69
Figura 64 - Gráfico do Estado x Tensão (V)
*Fonte: Os autores, 2013.
Com isso, o comportamento do sensor de precipitação pode ser estabelecido.
As tensões que correspondem ao intervalo de 1,5V a 3,0V fazem referência ao
estado um, o qual sinaliza que está chovendo. As tensões que estão no intervalo de
3,1V a 4,5V fazem referência ao estado dois, o qual sinaliza que pode estar
chovendo. E finalmente, os níveis de tensões entre 4,51V e 5,0V fazem referência
ao estado três, o qual sinaliza que não está chovendo. Como já foi dito na sessão
3.4, o sensor não chega ao nível de tensão igual a zero, uma vez que a água não
conduz de maneira excelente, por esse motivo a tensão inicial do sensor é 1,5V.
4.6
AJUSTE DE MEDIDAS
Para alguns sensores foi necessário realizar um ajuste a fim de que a
resposta dos testes dos mesmos ficasse muito próxima da resposta dos
equipamentos utilizados para a comparação. Uma vez que os ajustes via hardware
iriam demandar muito tempo, uma compensação via software permitiu que esse
objetivo fosse alcançado. A tabela 3 abaixo mostra os valores das variáveis que o
software de cada sensor utilizou.
70
Tabela 3 - Variáveis de Compensação de Software
Sensor
Temperatura
Umidade
Vento
Variável
1,049
1,2
3,99
*Fonte: Os autores, 2013.
Esses valores foram retirados dos testes feitos de cada sensor e são
multiplicadas à resposta final desses. No anexo T pode-se ver o código desenvolvido
implementado desse ajuste e no anexo U o firmware da impressão serial.
5
ANALISE DE RISCO
As principais falhas que podiam ocorrer, segundo a análise FMEA do anexo
V, estavam relacionadas com a falta de manutenção preventiva das estações
meteorológicas e da estação concentradora. Como pode ser observado no estudo
realizado, vários itens possuem uma severidade alta, porém somente alguns itens
ocorrem com maior frequência e são essencialmente esses que necessitaram de
uma atenção redobrada na confecção do projeto.
Realizando a manutenção necessária e levando em conta alguns aspectos
específicos de cada equipamento, esses cuidados fazem com que a durabilidade e a
segurança das informações tanto coletadas quanto transmitidas estejam em uma
margem de erro totalmente aceitável.
6
PROJETOS SIMILARES E ESTUDO DE MERCADO
Um estudo foi realizado para averiguar se o projeto proposto já havia sido
realizado por algum outro pesquisador/aluno. É sabido que alguns projetos similares
já foram desenvolvidos, na referencia bibliográfica foram inseridos alguns. Além
disso, um estudo de mercado foi realizado e dois produtos que realizam as mesmas
medidas do projeto proposto foram encontrados, porém com tamanho relativamente
grande perante o que foi confeccionado. Abaixo nas figuras 65 e 66 encontram-se
exemplo de estações meteorológicas no mercado.
71
Figura 65 - Produto Oregon
*Fonte: http://www.oregonscientific.com.br/index.php/previsao-do-tempo/estacao
profissional/wmr928nx.html, acessado em 2013.
A estação meteorológica da Oregon utiliza comunicação sem fio e possui um
link ethernet. Dentre suas medições podem-se citar: velocidade do vento,
temperatura, umidade relativa, pressão atmosférica, direção do vento, temperatura
dos golpes do vento, precipitação, índice de precipitação.
Um fato interessante a se destacar é seu dispositivo móvel que possui todas
as informações acopladas e de fácil acesso. O preço da estação meteorológica está
em torno de R$ 2.000,00.
72
Figura 66 - Produto Laboratorio de Garagem
*Fonte: http://www.labdegaragem.org/loja/index.php/34-sensores/estac-o-meteorologica.html,
acessado em 2013.
O produto do labdegaragem é uma estação meteorológica que visa a
obtenção dos dados de velocidade do vento, direção do vento e nível pluviométrico.
Trata-se de uma estação mais simples em relação ao produto da Oregon, porém se
enquadra em várias aplicações dos dias de hoje. Todos os sensores possuem uma
interface RJ45 vinculada a eles para a obtenção dos dados lidos. O preço dela está
em torno de R$ 400,00.
7
REFERÊNCIAS DE ESTAÇÕES EXISTENTES
Com o estudo feito acerca das estações meteorológicas existentes, é possível
perceber que elas são de grande porte e possuem algumas das seguintes
funcionalidades: Temperatura do ar, precipitação, umidade relativa do ar, radiação
solar, velocidade e direção dos ventos. A figura 67 mostra dois exemplos de
estações implantadas.
73
Figura 67 - Estações Meteorológicas Instaladas
*Fonte: http://dadosmeteorologicos.files.wordpress.com/2008/10/estacao-met1.jpg?w=300&h=225 e
http://jornalvozdonorte.blogspot.com.br/2008/10/estao-meteorolgica-automtica-ser.html, acessados
em 2013.
É possível também relacionar as várias regiões em que as principais
entidades responsáveis pelas estações meteorológicas estão implantadas, como
pode ser visto nas figuras 68, 69 e 70.
Figura 68 - Mapa de áreas de monitoramento 1
*Fonte: INMET, 2013
74
Figura 69 - Mapa de áreas de monitoramento 2
*Fonte: IAPAR, 2013
Figura 70 - Mapa de áreas de monitoramento 3
*Fonte: SIMEPAR, 2013
Com isso pode-se perceber a importância de uma estação meteorológica
móvel de pequeno porte, uma vez que essa possibilitará o estudo de microclimas em
variadas regiões, até mesmo em fazendas onde há plantio e cultivo, pois facilitará a
vida do agricultor, prevendo as condições do clima exatamente sobre sua região,
contribuindo assim para que o mesmo possa se prevenir das ameaças trazidas com
o tempo, por exemplo, geadas.
75
8
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Esse trabalho propôs a confecção de uma rede de sensores sem fio utilizando
a tecnologia Zigbee para aplicações diversas, o qual foi desenvolvido com sucesso.
As redes de sensores sem fio possuem uma gama grande e significativa de
aplicações.
Podem-se
citar aplicações na
medicina,
industrial,
agricultura,
meteorologia. Diante desse cenário essas redes estão cada vez mais presentes em
nosso dia-a-dia e rádios, de baixo consumo, como o Zigbee veem ganhando uma
expressiva força no mercado.
No ponto de vista dos sensores, seu desenvolvimento se deu com sucesso,
uma vez que todos funcionaram e atenderam aos objetivos esperados. A maior
dificuldade encontrada tem a ver com a construção de uma placa com todos os
sensores, o que seria excelente para a aplicação, pois o hardware ficaria mais
otimizado.
Todas as aferições realizadas com sensores já existentes comprovam que os
sensores construídos possuem comportamento muito semelhante aos sensores
comerciais, o que prova que esses estão prontos para serem inseridos no mercado.
No que se refere ao desenvolvimento da rede do projeto foi desenvolvida com
sucesso, pode-se verificar o firmware desenvolvido para as estações meteorológicas
e para a estação concentradora nos anexo X e anexo Z. O maior desafio encontrado
foi no que se refere ao primeiro shield utilizado. O mesmo não fornecia a corrente
necessária para alimentar o pino de comunicação da placa de desenvolvimento e ao
trocar o hardware os resultados foram alcançados.
Testes realizados em laboratórios foram feitos e o módulo xbee se mostrou
bem eficiente no que se refere ao alcance, porem quando os mesmos não estão em
visada direta com a estação concentradora pode-se notar que há uma significativa
perca de pacotes e interferindo no funcionamento do programa.
9
TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros pode-se dividir essa seção em duas partes, hardware
e software. Sobre o hardware, melhorias nos sensores poderiam ser feitas se o
tempo de estudo e construção dos mesmos fosse maior. Como o sensor de vento só
capta ventos de uma única direção, outro tipo de sensor poderia ser construído para
76
que ventos de todas as direções pudessem ser analisados. No sensor de ruído, se
outro dispositivo de captação mais eficiente fosse utilizado, o sensor construído
poderia obter dados em um alcance maior. O sensor de temperatura e umidade, não
é um dos melhores existentes no mercado, por ser barato e de fácil acesso, uma
melhoria significativa existia nos dados coletados se o sensor fosse substituído. O
sensor de chuva, poderia utilizar de técnicas mais avançadas para se obter
informações acerca da precipitação da chuva.
No que diz a respeito de software uma melhoria no tempo de processamento
pode trazer bons benefícios ao projeto. Junto com isso, a criação de uma rede do
tipo mesh faria com que a região monitorada seja aumentada. Isso faria com que as
aplicações sejam expandidas.
Outra melhoria seria implantar um sistema GSM na estação concentradora
visando ter esses dados prontos para serem lidos em dispositivos móveis, assim
aumentando sua gama de aplicação.
77
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2013.
79
ANEXO A - Hardware sensor de vento
Figura 71 - Hardware do sensor de vento
*Fonte: Os autores, 2013
80
ANEXO B - SOFTWARE SENSOR DE VENTO
81
82
ANEXO C - HARDWARE SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE
Figura 72 - Hardware do sensor de temperatura e umidade
*Fonte: Os autores, 2013
83
ANEXO D - SOFTWARE SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE
84
ANEXO E – HARDWARE SENSOR DE RUIDO
Figura 73 - Hardware do sensor de ruído
*Fonte: Os autores, 2013
85
ANEXO F – SOFTWARE SENSOR DE RUIDO
86
87
ANEXO G – HARDWARE SENSOR DE PRECIPITAÇÃO
Figura 74 - Hardware do sensor de precipitação
*Fonte: Os autores, 2013
88
ANEXO H – SOFTWARE SENSOR DE PRECIPITAÇÃO
89
90
ANEXO I – HARDWARE CONSOLIDADO (TEMPERATURA,
UMIDADE E VENTO)
Figura 75 - Hardware consolidado - Sensores de temperatura, umidade e vento
*Fonte: Os autores, 2013
91
ANEXO J – SOFTWARE DE RECEPÇÃO
92
93
ANEXO K – SOFTWARE PROTOCOLO ZIGBEE – ESTAÇÃO
CONCENTRADORA
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95
96
ANEXO L – SOFTWARE EEPROM
97
ANEXO M – SOFTWARE SERIAL
98
ANEXO N – SOFTWARE BITBANG
99
ANEXO O – ANEMOMETRO
Figura 76 - Anemômetro
* Fonte: Os autores, 2013.
ANEXO P – TERMOPAR
Figura 77 – Termopar
*Fonte: Os autores, 2013.
100
ANEXO Q- CALORÍMETRO
Figura 78 - Calorímetro (Câmara de monitoramento)
*Fonte: http://www2.pucpr.br/educacao/lst/images/equipamentos/foto_04.JPG, acessado em
2013.
ANEXO R – DECIBELÍMETRO
Figura 79 - Decibelímetro
*Fonte: http://img2.mlstatic.com/decibelimetro-digital-msl-1352-c_MLB-O-4437349309_062013.jpg,
acessado em 2013.
101
ANEXO S – GERADOR DE AUDIO
Figura 80 - Gerador de Áudio
*Fonte: Os autores, 2013.
102
ANEXO T – AFERIÇÃO
103
ANEXO U – IMPRESSÃO
104
105
ANEXO V – ANÁLISE FMEA
Figura 81 - Análise FMEA
*Fonte: Os autores, 2013.
106
ANEXO X – SOFTWARE ESTAÇÃO METEREOLOGICA
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108
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ANEXO Z – SOFTWARE ESTAÇÃO CONCENTRADORA
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