DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTE COMPUTACIONAL PARA
LABORATÓRIO VIRTUAL (WEBLAB) DE SISTEMA DE BIODEGRADAÇÃO
AERÓBICA DE MATERIAIS POLIMÉRICOS
1
M. A. G. Bardi1,2*, C. K. Umezu2, S. P. de Campos2, D. S. Rosa1
Universidade São Francisco, Laboratório de Polímeros Biodegradáveis e Soluções
Ambientais
2
Universidade São Francisco, Unidade Acadêmica da Área de Ciências Exatas e
Tecnológicas, Curso de Engenharia de Computação
Rua Alexandre Rodrigues Barbosa, nº 45, Centro, CEP 13251-900, Itatiba, SP
*[email protected]
RESUMO
A comunidade científica está engajada na pesquisa por materiais que possam
substituir os derivados do petróleo sem agredir o ambiente e melhorando a
qualidade de vida da população. A determinação da taxa de biodegradação
apresentada pelos materiais poliméricos, tal como descrito pela norma ASTM-D5988/96, é viável por se tratar de ensaios em escala laboratorial, porém, devido ao
número de replicações das amostras, há a necessidade de uma grande
disponibilidade de recursos. A automação de experimentos permite que grupos de
pessoas possam acompanhar, em tempo real, sua evolução, mesmo que distantes
do mesmo. Neste trabalho são apresentados os resultados do desenvolvimento do
ambiente computacional automatizado para quantificação da biodegradação através
da produção de dióxido de carbono. O ambiente foi desenvolvido usando práticas de
software livre e ferramentas de domínio público, possuindo uma interface gráfica que
permite atuar sobre o ensaio e acompanhá-lo de forma local ou remota, através da
Internet.
Palavras-chave: laboratório virtual, biodegradação, weblab, automação, polímeros
biodegradáveis
INTRODUÇÃO
Com o crescente desenvolvimento de atividades que exijam o processamento
contínuo e prolongado de determinados ensaios e atividades, busca-se que tais processos,
antes executados por humanos, sejam gradativamente automatizados e controlados por
sistemas capazes de tomar certas decisões e solicitar, quando necessário, uma ação do
usuário.
Dessa forma, nota-se que os recursos humanos antes empregados na execução do
ensaio não mais terão suas horas alocadas continuamente para a execução de tal ensaio;
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pelo contrário, enquanto uma série de análises é realizada, este ator poderá passar a
realizar outras tarefas e assim se mostrar mais dinâmico e produzir muito mais.
Atualmente, com o advento da Internet, os laboratórios virtuais (web labs) vêm se
tornando cada vez mais populares, pois são capazes de conduzir um experimento a
qualquer hora e de qualquer lugar
(1-3)
. Em seu trabalho(4), García-Zubia ainda afirma que o
uso de laboratórios virtuais está crescendo em importância devido à necessidade de se
descentralizar funções em laboratórios e salas de aula, permitindo que seus recursos
estejam disponíveis em qualquer lugar e em qualquer momento.
Os laboratórios virtuais foram primeiro usados pelo Massachussets Institute of
Technology (MIT) para fins de adquirir dados, em tempo real, de um hardware CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor), localizado no Grupo de Desenvolvimento
Alpha da Compaq, em Shrewsbury, Massachussetts(5). Em seguida, esta prática foi adotada
para o acompanhamento diário de estruturas submetidas a diferentes tipos de fadigas
mecânicas pelo curso de Engenharia Civil, no funcionamento de um trocado de calor pelo
curso de Engenharia Química e para análise de estruturas mecânicas por meio dos cursos
de Engenharia Aeronáutica e Astronomia(5).
De acordo com Sandhu(5), a prática de automação de experimentos permite que
grupos de pessoas possam, em conjunto, estudar, em tempo real, a ocorrência de
determinado fenômeno e expor suas idéias, mesmo que distantes do experimento realizado.
No trabalho citado(5), imaginou-se utilizar sistemas automáticos na realização de
experimentos constantes do curso de Engenharia Mecânica do MIT e que pudessem ser
visualizados remotamente, via web-can ou vídeo-conferência.
Laverty Jr(6) realizou estudos sobre um laboratório virtual desenvolvido para análises
mecânicas em ambientes marinhos, de modo a estudar conceitos de hidrodinâmica marinha
através de experiências laboratoriais. De acordo com o referido trabalho, o laboratório virtual
permite que usuários acessem remotamente experimentos em andamento e a processar
informações já coletadas e armazenadas nos bancos de dados do sistema.
De acordo com a literatura(7-9), as principais tendências de tecnologia e arquiteturas
empregadas no desenvolvimento de weblabs são as seguintes:
•
instrumentação remota: um ou mais experimentos onde o usuário somente poderá
ativar sua(s) entrada(s) (switches virtuais, geradores de sinal etc.) e verificar suas
saídas virtuais ou reais (através de webcam, para LED's, sinais em osciloscópios etc.)
Um exemplo é o descrito por Gustavsson e colaboradores(7), onde o usuário pode
visualizar as alterações causadas na variação de voltagem através de uma webcam
conectada a um osciloscópio.
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•
controle remoto de parâmetros: os usuários têm a liberdade de alterar os parâmetros
de controle de modo a modificar a lógica do sistema. Um exemplo de aplicação é em
um sistema PID, descrito por Casini e colaboradores(8), onde o usuário pode
manipular alguns parâmetros (controle de posição, controle de velocidade, controle de
nível, controle de fluxo etc.) que influenciam a lógica do modelo enquanto os
resultados podem continuar a ser visualizados usando-se uma webcam.
•
lógica de controle remoto: os usuários podem alterar os parâmetros lógicos e de
controle do sistema. Um exemplo seria um modelo didático clássico controlado por
CLP, microcontrolador, DSP, PLD ou FPGA que foi carregado por uma aplicação
(LabView ou semelhante). Neste caso, pode ocorrer que o sistema seja destruído
pela ação de erros de programação causados pelo usuário, visto que este tem todo o
controle das variáveis envolvidas no experimento(7,9).
Muitos esforços têm sido feitos para se popularizar ainda mais a aplicação dos
laboratórios virtuais. Basicamente, os laboratórios virtuais são compostos por três partes
principais, normalmente conhecidos por camadas (tiers, do inglês), tal como listado pelos
principais autores da área(1,10,11) e ilustrado na Figura 1:
•
console do cliente, o qual fornece ao executor da tarefa poderes de administração do
experimento e controle de parâmetros a serem capturados durante o experimento.
Ainda permite ao usuário descrever, através de um script o roteiro da análise a ser
realizada pelo equipamento remoto;
•
service broker, que é um sistema intermediário ao cliente/servidor e que permite a
autenticação somente de clientes autorizados ao servidor em questão. De certa
forma, esta camada lida com tarefas administrativas e de gerenciamento, além de
realizar controle de congestionamento do servidor e formatar as informações
enviadas pelo mesmo de uma forma que o cliente possa compreender(11);
•
console do servidor, o qual implementa, propriamente dito, o experimento e executa
os passos descritos no script pelo usuário do sistema.
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Figura 1 - Topologia de um modelo de arquitetura de laboratórios virtuais(1,10).
Com a análise de todos os itens apresentados neste texto, deve-se garantir que a
segurança do ponto de vista da Tecnologia da Informação seja preservada de modo que o
sistema no qual o weblab está inserido, o da própria universidade, seja preservado. Em
algumas situações, a arquitetura do weblab pode requisitar a abertura de muitas portas, o
que vai contra as políticas de segurança da informação normalmente adotadas.
De modo a se poder avaliar a eficiência de um laboratório virtual, deve-se adotar
experimentos que possam ser analisados continuamente, durante um longo espaço de
tempo. Além disso, deve-se pensar em análises que possam ser úteis do ponto de vista
social e acadêmico, podendo muitas vezes alcançar escalas produtivas e de mercado.
Atualmente, com a crescente preocupação de diversos cientistas com os assusntos
relacionados ao meio ambiente e aos agressivos ataques que a humanidade vem causando
ao mesmo, analisar o comportamento de matérias-prima que não agridam o meio ambiente
e que, quando aplicados em produtos apresentem baixa vida útil após o seu descarte e
possam ser facilmente assimilados pela Natureza quando descartados inadequadamente(12)
vem sendo muito discutido. E é entre estes materiais, os chamados “bio-corretos”, que se
enquadram os polímeros biodegradáveis.
Os materiais biodegradáveis são aqueles que, por meio da biodegradação, são
completamente (bio)assimilados pela ação de mecanismos microbianos, transformando-os
em elementos não nocivos à natureza, formadores da chamada biomassa(13).
De acordo com Krzan e colaboradores(14), os polímeros naturalmente biodegradáveis
fazem parte de um grupo de materiais especiais que vêm apresentando um rápido
crescimento em número dos tipos, bem como em suas aplicações e em quantidades que
são utilizados.
Assim, a obtenção de um laboratório virtual que possa quantificar a taxa de
biodegradação aeróbica (perda de massa e de propriedades físicas de um material quando
introduzido em um meio rico em microorganismos) apresentada pelos materiais poliméricos,
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tal como o método descrito pela norma ASTM-D-5988(15), onde uma pequena massa de
material poderia utilizada, se torna viável por se tratar de ensaios em escala laboratorial.
Além disso, pela necessidade de realizar os ensaios de forma redundante, o que levaria à
elaboração de um gigantesco aparato de equipamentos, o que tomaria grande parte do
tempo disponível, de acordo com o apresentado por Bragança(16), caso este processo viesse
a ser desenvolvidos manualmente.
Além disso, o desenvolvimento de tal sistema quantificador da produção de dióxido
de carbono (CO2) também requisitaria que recursos humanos constantemente realizassem
medições em todos os sistemas simultâneos de biodegradação, visto que a referida
norma(15) recomenda que leitura sejam feitas a cada 2 dias durante as primeiras 4 semanas
e semanalmente a partir de então. Tendo-se em vista que, para cada leitura são gastos
normalmente 15 minutos para titulação e mais 30 minutos para se renovar o ar do ambiente,
leva-se cerca de 45 minutos para se realizar uma única leitura. Se considerarmos que temos
5 tipos de materiais diferentes, e para cada material temos 3 repetições a realizar, obtemos
um total de 15 repetições, o que nos levaria a uma quantidade de horas extremamente
elevadas e gastas em um processo que consiste basicamente de ações repetitivas.
Assim, este trabalho tem por objetivo estudar a tecnologia de laboratórios virtuais
através de diversos enfoques e apresentar um protótipo universal para conexão de
quaisuqer equipamentos como entrada ao laboratório virtual. Como método de avaliação,
pretende-se desenvolver um esquema automatizado de quantificação da biodegradação
polimérica através da produção de dióxido de carbono de acordo com a norma ASTM-D5988/96(15).
MATERIAIS E MÉTODOS
MATERIAIS
z Vasilhame com volume interno de 2ℓ;
z Solo simulado para ensaio de biodegradação, contendo 23% de terra, 23% de
areia, 23% de esterco bovino e 31% de água destilada.
FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS
z Sistema operacional Debian GNU/Linux versão 4.0 r3 “Etch”, para arquiteturas
Intel x86, disponível para download gratuito em <www.debian.org.br> (acesso em
16 jun 2008);
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z Linguagem interpretada Python versão 2.4, presente como padrão no sistema
operacional Debian citado anteriormente;
z Servidor Apache, com extensão à scripts CGI, presente como padrão no sistema
operacional Debian citado anteriormente;
z Banco de dados MySQL versão 5.0.5, presente como padrão no sistema
operacional Debian citado anteriormente;
z Módulo de expansão da linguagem Python (API) MySQLdb, disponível em
<www.python.org> (acesso em 05 mai 2008);
DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS
Como a concentração de dióxido de carbono a ser medida é baixa, comparada
com outros sensores utilizados, tais como o de aferição de escapamentos
automotivos, foi adquirido um sensor de dióxido de carbono com range de 05000ppm, exatidão de 50 ppm, fabricado por Elektronic Ges.m.d.H, Alemanha.
Com relação ao modo de se converter os valores analógicos fornecidos pelo
sensor em números digitais, de modo que os valores possam ser computados pelo
software do weblab, verificou-se na literatura o emprego de uma placa de aquisição
de dados modelo 6024E fabricada pela National Instruments, a qual já foi utilizado
por vários autores(17-18).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 2 apresenta um modelo da arquitetura proposta para o sistema de laboratório
virtual.
Pela Figura 2, modificada de García-Zubia(4) verifica-se que o sistema é composto por
três entidades principais: servidores de processo, usuários finais e service broker, cujas
funcionalidades foram descritas na revisão da literatura apresentada(1,10-11). Note que podem
haver tantos servidores e usuários finais quanto forem necessários, de que obedeça a algum
limite, ainda a ser definido, de atendimento de requisições imposto ao único service broker
do sistema.
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Service
Broker
p
P
r
o
c
e
s
s
o
s
SNMP
HTTP
s Servidores
u Usuários Finais
Figura 2: Arquitetura proposta para o WebLab.
A arquitetura proposta permite que cada nível da mesma apresente um tipo de
implementação própria e diferenciada, porém comunicantes entre si, tal como descritos a
seguir:
•
Os servidores de processo seriam as aplicações físicas em si que estão em contato
direto com o service broker. Cada servidor deve apresentar uma base de dados
específica que permite armazenar, em tempo real, os dados que estão sendo
coletados e que, quando solicitados, enviem suas informações para uma base
temporária no service broker. Os servidores devem ser implementados de forma
simples, de preferência em linguagem C, padrão ANSI. A comunicação entre os
servidores e o service broker deve ser realizada via protocolo SNMP (Simple Network
Manager Protocol);
•
O Service Broker é a entidade hierárquica responsável por fazer a interação entre os
usuários finais e os servidores de processo, fornecendo autorização para acessar
determinadas informações. Note que esta entidade é única e centralizadora de
poderes, restringindo o acesso indevido de usuários não-autorizados. Em caso de
falhas, permite que os servidores de processo continuem funcionando normalmente,
visto que a interação entre os servidores e o service broker não é contínua.
Basicamente, duas aplicações estarão em funcionamento nesta entidade: o servidor
Apache e as bases de dados MySQL, além das rotinas de operações apresentadas
em scrips CGI empregando-se Python;
•
Já as aplicações dos usuários finais seriam meros ambientes desenvolvidos para
browser Internet, que interage diretamente com o Service Broker. Algumas das
funcionalides inerentes seriam autenticação do usuário, solicitação de serviços,
atuação em servidores de processo e visualização de resultados. A comunicação
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entre os usuários finais e o service broker será realizada via HTTP (HyperText
Transfer Protocol).
Durante a fase de esquematização do projeto mecânico, procurou-se encontrar na
Literatura um guia para a melhor implementação do dispositivo, sendo que optou-se pelo
processo descrito por Columbus Instruments(19). Assim, nesta fase de desenvolvimento do
projeto, teve-se ainda que definir a forma de transferência do dióxido de carbono produzido
para a tubulação que leva até o sensor quantificador desta produção, localizado na
extremidade desta.
De acordo com observações do mundo real, três opções foram levantadas como
possíveis solucionadoras do problema, a saber:
•
Passagem natural;
•
Passagem acelerada por ventilação forçada;
•
Passagem por vácuo.
Analisando-se mais detalhadamente, durante a atual fase do desenvolvimento do
projeto, as diversas opções citadas, verificou-se que a mais adequada para as condições do
projeto seria a criação de um fluxo de gás gerado graças à diferenças leves na pressão do
meio, através do fornecimento de um baixo nível de vácuo, próximo a 10-1 mBar, o que já
fornece uma velocidade de escoamento considerável para o fluído, em função da área
disponível para escoamento, de acordo com o que define a Equação 1:
Q = A⋅v
Equação 1
onde:
Q = Vazão do fluido (m3 · s-1)
A = Área da secção transversal do tubo coletor (m2)
v = Velocidade do fluido (m · s-1)
Deve-se fazer uma ressalva que o nível de vácuo que deve ser adotado foi o que
apresentou uma vazão que proporcionasse uma velocidade de medição adequada à
sensibilidade do sensor escolhido, pois se deve lembrar de que, caso o fluido passe muito
rapidamente pela extremidade medidora, corre-se o risco de se obter leituras errôneas e que
se refiram a dados não-reais.
Ainda como justificativa à aplicabilidade da fluidez graças à variações de pressão
interna, deve-se ressaltar que esta forma não causará poluição dos resultados, ou seja, não
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será necessária a injeção de determinada “dose” de ar externo de modo a favorecer
transposição, como estava previsto para o caso de ventilação forçada. Assim, somente
ficará dentro do recipiente o gás realmente produzido a partir do processo de degradação do
material polimérico.
Para a implementação eletrônica, deve-se compreender a interação entre os
dispositivos analógicos com o processo de produção de CO2, de acordo com a ASTM-D5988/96. A distância entre os frascos foi considerada a menor possível, de modo que o
processo de leitura/estabilização fosse minimizado. Entre os dois vasilhames, foi inserida
uma válvula solenóide de acionamento elétrico, responsável pela liberação do gás a partir do
vasilhame produtor rumo àquele que contem o sensor. Em seguida, uma válvula é aberta
para renovar o ar presente no vasilhame de produção e para que o gás já quantificado
também fosse expelido.
CONCLUSÕES
A melhor forma de se projetar o weblab é em três camadas independentes, porém
comunicantes entre si, o que permite que níveis de segurança possam ser incorporados às
camadas sem prejudicar a integridade da rede corporativa como um todo, além de deixar as
atividades transparentes tanto para o lado cliente quanto para o servidor.
Durante a fase de projeto, foi visto que questões da complexidade do sistema, e de
suas funcionalidades, devem ser consideradas desde o princípio, procurando responder à
questões que resumam estas idéias.
A utilização de dispositivos de coleta de dados já empregados pela literatura fornecem
um grau de confiabilidade dos dados apresentados maior, além de que facilita também o
desenvolvimento de aplicações para ela, já que apresentam normalmente softwares
embarcados.
Para o desenvolvimento de aplicações web, deve-se sempre vislumbrar linguagens de
programação que já apresentem funções e módulos já prontos para manipular rotinas de
rede, tais como scripts CGI.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPESP (processo nº 04/13359-8) e à Universidade
São Francisco.
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DEVELOPMENT OF FRAMEWORK FOR A WEBLAB-BASED POLYMERIC
MATERIALS BIODEGRADATION SYSTEM
ABSTRACT
The scientific society is widely researching materials that can substitute the petroleum
derivatives but not harming the environment and also improving the life quality. The
determination of the biodegradation rate presented by these polymeric materials, as the
method described by ASTM-D-5988/96 standard, is tangible because is a laboratorial
scale testing, but it requires a great number of replication for each sample, and so
becoming necessary the allocation of many hours of staffs. In this context, the
automation of experiments allows that groups of people can accompany, in real time,
their evolution, even though these people are too physically distant. In this work, the
results of the development of a web-based framework for quantifying the
biodegradation of polymeric materials are discussed. The framework was developed
applying the free software practices and public tools, containing a graphic interface that
allows their users to actuate over the experiment by the Internet.
Key-word: web lab, biodegradation, automation, biodegradable polymers.
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