UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ UTFPR DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DAELT CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL - PDF
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Derek Sales Beltrão
1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ UTFPR DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DAELT CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL JEAN CASEMIRO STEFANKOWSKI PAULO HENRIQUE KAROLKIEWICZ RAFAEL ANTONIO PETRÒ PROTÓTIPO PARA CONTROLE DE PAGAMENTO DE ÁGUA DE FORMA PRÉ-PAGA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2014
2 JEAN CASEMIRO STEFANKOWSKI PAULO HENRIQUE KAROLKIEWICZ RAFAEL ANTONIO PETRÒ PROTÓTIPO PARA CONTROLE DE PAGAMENTO DE ÁGUA DE FORMA PRÉ-PAGA Projeto apresentado como prérequisito para o Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, do Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica DAELT da Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR. Orientador: Profª MSc Rosângela Winter CURITIBA 2014
3 JEAN CASEMIRO STEFANKOWSKI PAULO HENRIQUE KAROLKIEWICZ RAFAEL ANTONIO PETRÒ PROTÓTIPO PARA CONTROLE DE PAGAMENTO DE ÁGUA DE FORMA PRÉ-PAGA Este Trabalho de Diplomação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Tecnólogo em Automação Industrial, do Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 22 de janeiro de 2014 Prof. José da Silva Maia, M.Eng. Coordenador de Curso Departamento Acadêmico de Eletrotécnica Prof. Rafael Fontes Souto, M.Sc. Responsável pelo Trabalho de Diplomação da Tecnologia Departamento Acadêmico de Eletrotécnica BANCA EXAMINADORA Prof. Jaime Favretto, M.Sc. Universidade Tecnológica Federal do Paraná Profª. Rosangela Winter, M.Sc. Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientadora Prof. Juvenal Akita, Esp. Universidade Tecnológica Federal do Paraná Profª Rosana Mayer, M.Sc. Universidade Tecnológica Federal do Paraná A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso.
4 RESUMO KAROLKIEWICZ, Paulo; PETRO, Rafael; STEFANKOWSKI, Jean. Protótipo para controle de pagamento de água de forma pré-paga. 66f. Projeto de TCC Tecnologia em Automação Industrial, UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Um sistema pré-pago de abastecimento de água é uma opção considerada bastante razoável em vista das dificuldades financeiras de diversos consumidores, que por vezes, não conseguem manter em dia o pagamento das tarifas e acabam tendo o seu fornecimento suspenso. Com um sistema pré-pago, os consumidores poderão controlar e planejar o consumo de água, evitando imprevistos no fornecimento. O protótipo proposto neste trabalho visa proporcionar uma solução socioambiental, beneficiando a sociedade em geral, fazendo com que o gerenciamento dos recursos hídricos se torne mais eficiente tanto para o usuário como para a companhia de abastecimento de água. O protótipo foi desenvolvido utilizando um hidrômetro mecânico comum como base. Foram utilizados componentes eletrônicos para a adaptação, inserindo no hidrômetro uma interface digital. Os dados coletados pela interface eletrônica ficarão disponíveis de forma contínua ao usuário em uma unidade remota, que ficará em local acessível dentro da residência do consumidor, que pode acompanhar o consumo e a quantidade de créditos de água. Palavras-chave: Protótipo. Pré-pago. Água.
5 ABSTRACT KAROLKIEWICZ, Paulo; PETRO, Rafael; STEFANKOWSKI, Jean. Prototype for controlling payment of water in order prepaid 66p. Projeto de TCC Tecnologia em Automação Industrial, UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná. A prepaid water supply is an option considered quite reasonable in view of the financial difficulties of many consumers, who sometimes can not keep up prices and inevitably end up having their supply suspended. W ith the prepaid system, consumers can manage and plan water consumption, avoiding the cut in supply. The prototype proposed in this paper aims to provide an socioenvironmental solution, benefiting society at large, making the management of water resources become more efficient both for the user and for the company's water supply. The prototype was developed using a hydrometer as common mechanical basis. Were used electronic components for adaptation, inserting the hydrometer a digital interface. The data collected by electronic interface will be available continuously to the user in a remote interface, which will remain accessible location inside the residence of the consumer, which may accompany the consumption and the amount of credits. Key Words: Prototype, Prepaid, Water.
6 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Display de cristal líquido 16x Figura 2 - Microcontrolador...10 Figura 3 - Optoacoplador...11 Figura 4 - Chave optoeletrônica...12 Figura 5 - Motor de corrente contínua...13 Figura 6 - Hidrômetro...14 Figura 7 - Diagrama de blocos do protótipo...16 Figura 8 - Estação base...17 Figura 9 - Esquema elétrico da estação base...18 Figura 10 - Sistema de relojoaria do hidrômetro...19 Figura 11 - Adaptação do ponteiro...20 Figura 12 - Esquema elétrico das portas...21 Figura 13 - Esquema elétrico da alimentação...23 Figura 14 - Esquema elétrico do circuito de detecção de bateria baixa...24 Figura 15 - Esquema elétrico de acionamento da válvula...25 Figura 16 - Conexão Slot/microcontrolador...26 Figura 17 - Conjunto micromotor/registro...27 Figura 18 - Esquema elétrico da comunicação sem fio...29 Figura 19 - Estação remota...31 Figura 20 - Cartão de recarga...33 Figura 21 - Slot de conexão...34 Figura 22 - Carregador...35 Figura 23 - Bancada de simulação...37 Figura 24 - Reservatório de água...39 Figura 25 - Placas...40 Figura 26 - Fixação das placas na bancada de simulação...40
7 LISTA DE TABELAS Tabela 01 - Relação das portas utilizadas...21 Tabela 02 - Códigos da comunicação sem fio...30
8 LISTA DE SIGLAS E ACRÔNIMOS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. CC Corrente Contínua. CEDAE Companhia Estadual de Águas e Esgotos. CGRAM Gerador de Caracteres para Memória de Acesso Aleatório (Caracter Generator Random access Memory). CI Circuito Integrado. DAELT Departamento Acadêmico de Eletrotécnica. DIAC Diodo para corrente alternada (Diode for Alternating Current) DIMEL Diretoria de Metrologia Legal. DN Diâmetro Nominal (Diametre Nominal). EEPROM Memória Somente Leitura Programável Eletricamente Apagável (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory). INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial. IHM Interface Humano Máquina. LCD Display de Cristal Liquido (Liquid Cristal Display). LED Diodo Emissor de Luz (Light Emitting Diode). NPS Diâmetro Nominal de Tubos (Nominal Pipe Size). PIC Controlador de Interface Programável. (Programmable Interface Controller). PNUMA Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente. PVC Policloreto de Vinil (Polyvinyl chloride) RAM Memória de Acesso Aleatório (Random Access Memory). ROM Memória Apenas de Leitura (Read Only Memory). SANEPAR Companhia de Saneamento do Paraná. SMD Dispositivo de Montagem Superficial (Surface-Mount Device). TCC Trabalho de Conclusão de Curso. UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
9 LISTA DE ABREVIATURAS l MHz ml mm ms m V Litros. Megahertz. Mililitros. Milímetros. Milisegundos. Metros Volts
10 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Delimitação do tema PROBLEMAS E PREMISSAS OBJETIVOS Objetivo geral Objetivos específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO MICROCONTROLADORES DISPOSITIVOS ÓPTICOS Optoacoplador Chave optoeletrônica MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA HIDRÔMETRO COMUNICAÇÃO SEM FIO DESENVOLVIMENTO DESENVOLVIMENTO DA ESTAÇÃO BASE Funcionamento do hidrômetro Adaptação do ponteiro e acoplamento do sensor de pulsos Microcontrolador central Sistema de alimentação Sistema de acionamento da válvula Desenvolvimento do sistema de leitura e transferência de dados do cartão ADAPTAÇÃO DA VÁLVULA DE CONTROLE DESENVOLVIMENTO DA COMUNICAÇÃO SEM FIO Dispositivo de comunicação sem fio Protocolo de comunicação DESENVOLVIMENTO DA ESTAÇÃO REMOTA Características construtivas...31
11 3.4.2 Funcionamento DESENVOLVIMENTO DO CARTÃO DE RECARGA E SLOT DE CONEXÃO Cartão Slot de conexão DESENVOLVIMENTO DO CARREGADOR Características construtivas Funcionamento do carregador MONTAGEM E SIMULAÇÃO MONTAGEM DA BANCADA DE SIMULAÇÃO DO PROTÓTIPO Reservatório de água CONFECÇÃO, MONTAGEM E FIXAÇÃO DAS PLACAS ELETRÔNICAS SIMULAÇÕES DE FUNCIONAMENTO Simulação de falta de energia externa Simulação da carga da bateria do nobreak fraca Simulação de interrupção por falta de crédito CONSIDERAÇÕES FINAIS SÍNTESE RESULTADOS ATINGIDOS DIFICULDADES ENCONTRADAS SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...46 REFERÊNCIAS...48 APÊNDICE A PROGRAMAÇÃO DA ESTAÇÃO BASE...52 APÊNDICE B PROGRAMAÇÃO DO CARREGADOR...58 APÊNDICE C PROGRAMAÇÃO DA ESTAÇÃO REMOTA...61 APÊNDICE D PROGRAMAÇÃO DO CARTÃO...65
12 4 1 INTRODUÇÃO A água, segundo Capobianco (2011) é um recurso natural de valor inestimável. Mais que um insumo indispensável à vida e um recurso estratégico para o desenvolvimento econômico, ela é vital para a manutenção dos ciclos biológicos, geológicos e químicos que mantêm em equilíbrio os ecossistemas. De acordo com dados do PNUMA (2011), estima-se que 97% da água encontra-se acumulada nos oceanos, sendo que geleiras e calotas polares detêm 2,4%, e outros como rios, lagos e lagoas detêm 0,6% da água do planeta. Isso constitui um grande problema, pois o ser humano necessita de água doce e, no entanto tem disponível uma quantidade muito maior de água salgada. Para Costa (2011a) O desperdício de água cresce a cada dia, o que provocará futuramente um déficit em sua quantidade e uma infinidade de problemas, onde estes irão afetar não só aos homens, mas principalmente ao meio ambiente. Por isso é de fundamental importância que cada vez mais sejam pensados meios de evitar a poluição e o desperdício e controlar o abastecimento de água, para que se possa manter para as gerações futuras a qualidade e a quantidade desse recurso natural de suma importância para a vida no planeta Terra. A utilização de sistemas automatizados para o controle do consumo de água é uma das formas de evitar o desperdício e garantir maior qualidade no abastecimento. Segundo Trojan (2005), a automação de sistemas é uma ferramenta poderosa no gerenciamento da água, evitando gastos desnecessários, utilizando os recursos naturais de maneira eficiente com qualidade e preservando o meio ambiente.
13 5 1.1 TEMA O presente estudo surge para facilitar o acompanhamento do consumo de água pelo consumidor, pensando na necessidade de criar meios que levem o consumidor a criar uma consciência de evitar o desperdício de água. Constatou-se que atualmente não há dispositivos capazes de informar de maneira eficiente o consumo de água em tempo real ao consumidor de forma a garantir um controle mais dinâmico da quantidade de água consumida. Almeja-se com esse protótipo permitir esse acompanhamento, visando à diminuição de custos para o consumidor e consequentemente incentivando a um uso mais racional da água, gerando benefícios a todos os usuários e ao meio ambiente. Pretende-se criar um protótipo de medidor de água com o intuito de implantar um sistema de pagamento de forma pré-paga, utilizando para isso um hidrômetro de água mecânico comum como base. Para permitir a futura aplicação de forma simples e com o mínimo de custo no atual sistema de medição, o protótipo foi confeccionado com dispositivos e componentes eletrônicos de baixo custo e de fácil disponibilidade Delimitação do tema O presente estudo visa construir um protótipo de medidor de água para pagamento de forma pré-paga para uso residencial, com a criação de um software e um hardware para controle do consumo de água. Tendo como característica o uso de componentes de baixo custo e boa disponibilidade, visando uma adaptação que permita ao usuário um acompanhamento e controle sobre seu consumo, utilizando um sistema de pagamento pré-pago. O foco do presente projeto de TCC baseia-se na adaptação do hidrômetro mecânico, com a criação de uma interface remota digital e um sistema de recarga de créditos, sendo a implantação da logística, gestão e comércio do sistema pré-pago um adendo para complementar
14 o controle do consumo por parte do usuário, não sendo desenvolvido durante o projeto PROBLEMAS E PREMISSAS Os principais problemas encontrados e que embasaram esta proposta foram: 1. Desperdício e uso irresponsável da água; 2. Falta de dispositivos capazes de proporcionar a visualização e acompanhamento do consumo de forma rápida e fácil; 3. Inexistência de um método de pagamento mais programável e flexível. 4. Longo tempo de espera e burocracia nos serviços de suspensão e religação de água. Em decorrência destes quatro problemas, a qualidade do serviço de abastecimento de água tende a ser prejudicada gerando, entre outros, os seguintes problemas: transtornos de abastecimento, racionamento de água (e consequentes problemas de saúde pública ao longo do tempo) e aborrecimentos com a burocracia nos serviços prestados pela concessionária. Logo: Como monitorar e controlar o consumo de água de forma a evitar o desperdício e garantir seu fornecimento? Com a utilização de um medidor de água adaptado para pagamentos prévios ao consumo, pretende-se demonstrar a viabilidade de um sistema de medição de água pré-pago, de modo a amenizar os problemas de desperdício utilizando-se de uma forma diferenciada de medição e controle do consumo.
15 7 1.3 OBJETIVOS Objetivo geral Adaptar um medidor de água mecânico convencional em um protótipo, de forma a permitir o controle do consumo por meio de quantidades pré-determinadas, utilizando para isso dispositivos eletrônicos Objetivos específicos Revisar a literatura sobre medidores de água e outros dispositivos a serem utilizados; Verificar o funcionamento e transformar a leitura mecânica do hidrômetro em sinais digitais; Desenvolver e simular uma unidade remota de leitura e acompanhamento; Implantar um sistema de comunicação sem fio para a transmissão de dados entre a unidade remota e o medidor; Desenvolver um sistema de recarga de créditos; Construir o protótipo e integrar o sistema; Testar o protótipo. 1.4 JUSTIFICATIVA Ao longo dos anos a discussão sobre o consumo consciente de água tornou-se muito difundida nos meios acadêmicos e nas mídias, com enfoque no possível esgotamento das reservas de água potável. A população tem conhecimento sobre a necessidade de evitar o desperdício de água, porém sente a falta de dispositivos capazes de proporcionar um controle mais dinâmico do seu consumo e ao mesmo tempo realizar planejamento de sua demanda e consumo mensais. Uma possibilidade de utilização do sistema de pagamento prépago de água seria em imóveis de aluguel, bem como imóveis de baixa ocupação com alta sazonalidade como casas de campo e de veraneio,
16 8 onde a utilização e ocupação são maiores em períodos de temporada e férias. Este sistema de pagamento de forma pré-paga possibilita uma praticidade e facilidade muito grande reduzindo transtornos com inquilinos e com a prestadora de serviços de abastecimento de água. Também permite uma otimização de custos para a concessionária, relativa às atividades de leitura e inspeção, permitindo a diminuição da demanda de serviços. Mediante estes pontos o projeto contempla o desenvolvimento de um dispositivo capaz de sanar estes problemas dos usuários, possibilitando o acompanhamento e controle do consumo de uma forma simples, sem a necessidade da utilização dos serviços prestados pelas concessionárias e sem submeter-se a prazos de execução e transtornos gerados por estas. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS O trabalho de pesquisa é previsto para ser de natureza aplicada e caracterizada pela forma experimental quanto aos procedimentos técnicos, de acordo com as definições de metodologia da pesquisa e elaboração de dissertação (SILVA e MENEZES, 2001 p ). Em relação ao objetivo macro a pesquisa enquadra-se como sendo uma pesquisa do tipo experimental porque, segundo Bello (2004), qualifica-se este tipo de pesquisa como toda aquela que envolve algum tipo de experimento e no caso serão feitos experimentos com base no protótipo do medidor de água. Trabalhos acadêmicos obedecem a normas que atendem especificidades do curso e instituição de origem, sem, contudo, divergir das diretivas apontadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) (UTFPR, 2008 p. 13). A redação da presente monografia será baseada nas normas para elaboração de trabalhos acadêmicos da UTFPR.
17 9 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Display de Cristal Líquido Displays de cristal líquido são comumente usados para interfaces de comunicação humano-máquina (IHM), sendo largamente utilizados na indústria e em eletroeletrônicos como em aparelhos celulares, câmeras digitais, players de músicas e afins. Segundo Avelar (2010) existem vários tipos de LCD no mercado atualmente e são geralmente descritos por AxB onde A é o número de colunas e B o número de linhas. Por exemplo: 8x2, 16x1, 16x2 [...] Os modelos mais comuns comunicam-se através de pinos de entrada e saída. De acordo com Messias (2012): Os módulos LCDs são compostos de memória ROM, memória RAM, e dois ou mais micro processadores. A maioria deles dispõe de um espaço de memória chamada CGRAM, que permite ao usuário desenhar até 8 caracteres personalizados (para cada caractere são necessários 8 bytes). A figura 01 mostra um display de cristal líquido formado por 16 colunas e 2 linhas: Figura 01: Display de Cristal Líquido 16x2. Fonte: Mutcom (2012).
18 Microcontroladores Os microcontroladores [...] são chips inteligentes, que têm um processador, pinos de entradas/saídas e memória. Por meio da programação dos microcontroladores pode-se controlar suas saídas, tendo como referência as entradas ou um programa interno (TREVISAN, 2012). Conforme Angelfire (2012), um microprocessador constitui um circuito complexo, em forma de circuito integrado, possuindo diversos circuitos lógicos como contadores, registradores, decodificadores e vários outros. Estes circuitos lógicos são dispostos de maneira complexa, dando ao microprocessador a capacidade de executar operações lógicas, aritméticas e de controle. Os sistemas microcontrolados, segundo a revista Robótica Livre (2012) estão presentes nas mais diversas áreas, dentre as quais a automação industrial, comercial e predial, área automobilística, agrícola, produtos manufaturados, eletrodomésticos e telecomunicações. A Figura 02 mostra um microcontrolador PIC16F628A, o mesmo utilizado no protótipo: Figura 02: Microcontrolador. Fonte: MAC (2013).
19 DISPOSITIVOS ÓPTICOS Optoacoplador O optoacoplador é um componente utilizado para isolar circuitos distintos. Segundo Braga (2009) Acopladores ópticos ou optoacopladores são dispositivos formados por um LED emissor e um dispositivo sensor que pode ir do foto-transistor ao foto-diac, dentro de um encapsulamento hermético. O principal motivo pela escolha de optoacopladores em circuitos de controle dá-se pela excelente isolação que proporcionam. Conforme Angelfire (2012). Estes componentes são capazes de isolar com total segurança dois circuitos eletrônicos, mantendo uma comunicação ou controle entre ambos. O isolamento é garantido porque não há contato elétrico, somente um sinal luminoso. Braga (2009) afirma que os acopladores são extremamente eficientes no isolamento entre os circuitos que pode superar facilmente os 5.000V e rápidos o bastante para aceitar modulações que chegam a alguns MHz. Os acopladores ópticos possuem diversas vantagens sobre outros tipos de acopladores: alta velocidade de comutação, nenhuma parte mecânica, baixo consumo e isolamento total (ANGELFIRE, 2012). Na figura 03 pode-se observar o aspecto físico de um optoacoplador, modelo CNY17: Figura 03: Optoacoplador Fonte: Chiplook (2013)
20 Chave Optoeletrônica Chaves optoeletrônicas são sensores ópticos utilizados para detecção ou contagem de objetos. De acordo com a revista Saber Eletrônica (2007), uma chave óptica típica é um dispositivo em que existe uma fonte emissora, normalmente um LED infravermelho, e um receptor, geralmente um fototransistor, o dispositivo é montado de tal forma que entre o emissor e o receptor existe uma fenda onde pode ser introduzido um objeto. A introdução desse objeto interrompe o feixe de radiação do emissor, provocando uma mudança de estado do circuito. As chaves ópticas são rápidas e têm a vantagem de não utilizarem contatos mecânicos, que com o tempo acabam se desgastando, são muito utilizadas na automação como fim de curso, em robótica, e em muitas outras aplicações importantes relacionadas a mecatrônica e optoeletrônica. (RODRIGUES apud MORAES, 2013). Na figura 04 pode-se observar uma chave optoeletrônica do tipo PHCT 103, utilizada no protótipo para a contagem de pulsos do hidrômetro: Figura 04: Chave Optoeletrônica Fonte: Paresteck (2013) 2.4 Motor de corrente contínua Motores de corrente contínua são máquinas elétricas que convertem energia elétrica em energia mecânica. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão (COSTA, 2012). O motor CC, de acordo com Costa (2012) é constituído por:
21 [...] circuito indutor, circuito induzido e circuito magnético. Sendo constituído por elementos fixos e móveis, dá-se o nome de estator a parte fixa do motor e o nome rotor a parte móvel do mesmo. No caso do motor CC o circuito indutor encontra-se no estator e o circuito induzido no rotor. O circuito induzido é constituído por um enrolamento envolvendo um núcleo ferromagnético laminado, isto é, dividido em chapas entre si. Segundo Netto (2012), o rotor gira entre os polos de ímãs permanentes estacionários, sendo que girará desde que essa corrente inverta seu sentido cada vez que seus pólos alcançarem os pólos opostos do estator. O modo mais comum para produzir essas reversões é usar um comutador, que apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas no eixo do rotor; os terminais da bobina são fixados nessas placas. A corrente circula através do comutador e da bobina, retornando a outra escova. Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam seus contatos com as escovas e a corrente inverte seu sentido na bobina do rotor, mantendo o motor girando, sempre com o mesmo sentido de rotação. A figura 05 mostra um motor de corrente contínua com redução mecânica utilizado para pequenas aplicações em sistemas automatizados. O motor é semelhante ao que será utilizado no protótipo: Hidrômetro Figura 05: Motor de Corrente contínua Fonte: Vegamax (2012). Hidrômetro é um instrumento de medição volumétrica de água. De acordo com Techem (2012), são utilizados em larga escala pelas empresas de saneamento básico para medir o consumo dos seus clientes, permitindo a emissão das faturas de acordo com o volume consumido por cada um. Além disso, ajudam a estimar as perdas entre a produção e a distribuição de água. O aparelho é dotado de uma turbina que se move com a passagem da água.
22 14 Ao girar, a turbina coloca em movimento um sistema de relojoaria que faz o mostrador indicar com precisão o volume de água que passa pela tubulação (CEDAE, 2010). Se o fluxo de água é pequeno, o ponteiro roda lentamente, indicando um consumo menor. Se o fluxo é grande, faz o ponteiro girar mais depressa, indicando sinal de consumo elevado. Segundo Carvalho (2010), os hidrômetros mais utilizados são os do tipo velocimétricos. Estes hidrômetros podem ser do tipo monojatos ou multijatos, ter sua relojoaria seca ou úmida e serem de transmissão magnética ou mecânica. A figura 06 mostra um hidrômetro da fabricante Actaris semelhante ao utilizado no protótipo: Figura 06: Hidrômetro Fonte: Easy (2012) 2.6 Comunicação sem fio Por definição, conforme Borges (2008), a comunicação consiste num fluxo de informações através de um canal de transmissão entre dois intervenientes de acordo com uma série de regras pré-definidas e do conhecimento das entidades envolvidas. Entre o emissor e o receptor existe um canal de transmissão, por onde transita o fluxo de informações em determinados sentidos. Segundo Casagrande (2008) nos sistemas de comunicação o fluxo de informações pode ser definido em sistemas Simplex, onde o fluxo da informação se dá somente em um sentido; sistemas semi-duplex (half-duplex), onde a informação transita nos dois sentidos, porém não simultaneamente; sistemas duplex, onde a informação pode ser transmitida em ambos os sentidos simultaneamente. Quanto aos tipos de redes de comunicação de dados, elas podem ser: [...] ponto-aponto, proporcionado um barramento dedicado entre os dispositivos, ou multiponto, aquela na qual mais de dois dispositivos compartilham um único barramento.
23 (FOROUZAN, 2006, P.38). De acordo com Tyson (2000), as topologias das redes podem ser do tipo barramento, anel ou estrela. Conforme Tarouco (2013): 15 Muitos sistemas de comunicação fazem a transmissão dos dados utilizando cabos [...] ou fibra ótica. Outros entretanto, transmitem os dados pelo ar, não utilizando qualquer tipo de meio físico, como é o caso da transmissão por raios infravermelhos, lasers, micro-ondas e rádio. Cada uma destas técnicas é adequada a certas aplicações [...] Ainda segundo Tarouco (2013) o ar constitui-se de um meio natural para a propagação de sinais eletromagnéticos, podendo talvez, ser considerado o melhor suporte de transmissão, quando se fala em conectividade. Tal afirmação baseia-se no fato de que o ar provê uma interconexão completa, e permite uma grande flexibilidade na localização das estações. Ramos Jr (2010) descreve entre as principais comunicações sem fio as seguintes: Wi-fi, Ad-Hoc, WiMax, WAP, EDGE, 3G, LTE e Bluetooth.
24 16 3 DESENVOLVIMENTO A adaptação e montagem do protótipo foi baseada em um hidrômetro da fabricante LAO, modelo MJ 9B1, homologado pela portaria DIMEL / INMETRO número 40 de 13/05/1999, fornecido pela SANEPAR. Primeiramente todos os circuitos foram projetados e dimensionados de forma a atender as necessidades do sistema. Após definidos os circuitos e seus componentes eletrônicos, partiu-se para a validação dos mesmos com testes em matriz de contatos antes da montagem final em placas eletrônicas confeccionadas especialmente para este fim. Para facilitar o desenvolvimento o protótipo foi dividido em seis partes distintas: Estação base; Válvula de controle; Comunicação sem fio; Estação remota; Cartão de recarga e Slot/Carregador. Desta forma proporciona-se um melhor aproveitamento do tempo empregado diminuindo consideravelmente possíveis falhas no projeto e consequente retrabalho. Pode-se observar o diagrama em blocos do protótipo na figura 07: Figura 07: Diagrama em blocos do protótipo Fonte: Os autores 3.1 DESENVOLVIMENTO DA ESTAÇÃO BASE A estação base é a principal parte do protótipo, nela todas as informações são processadas de forma a garantir o correto funcionamento do sistema. A estação base, numa aplicação prática ficaria disposta junto à entrada de água da residência. Sua função é receber os créditos do cartão de recarga, processar as informações e
25 17 liberar o fornecimento para a unidade consumidora. A estação base também é a responsável pelo controle dos créditos e identificação da falta dos mesmos, executando a interrupção temporária do fornecimento de água, ficando em estado de espera até uma próxima recarga. A estação base comunica-se de forma contínua com o usuário através da estação remota, informando o saldo e situações de alerta do sistema. A estação base é composta pelos seguintes componentes: hidrômetro, sensor de pulsos, microcontrolador central, sistema de alimentação, válvula de controle e sistema de descarga do cartão. Na figura 08 é mostrada a estação base e na figura 09 é demonstrado o esquema elétrico completo da estação base, englobando todos os seus componentes: Figura 08: Estação base Fonte: Os autores (2013)
26 18 Figura 09: Esquema elétrico da estação base Fonte: Os autores (2013) Na figura 09, pode-se observar o microcontrolador central e suas respectivas interfaces com suas entradas e saídas. A porta RA3 (configurada como entrada) detecta o sinal de falha da fonte através do OPTO 01, conectado num divisor de tensão. A fonte externa ao ser desligada desativa o funcionamento do OPTO 01, modificando o funcionamento da ponte R1/R2. A porta RA2 (configurada como entrada) é conectada a um divisor de tensão formado por R3 e R4, conectado ao sensor PHCT 103, este é responsável pela captação do sinal mecânico do hidrômetro e sua transformação em pulsos, enviados ao microcontrolador através desta interface. A porta RA4 é uma entrada e encontrase conectada à placa de monitoramento da bateria, que será descrita no tópico As portas RB0, RB1, RB2 e RB3 (saídas) são conectadas ao CI HT12E, seu funcionamento será descrito no tópico As portas RB4 e RB5 (saídas) são conectadas na placa de controle do motor, responsável pela abertura e fechamento da válvula, conforme será mostrado no tópico As portas RB6 e RB7 são saídas conectadas no slot da estação base, através de resistores de 330 Ω. As portas RA7, RA0 e RA1 são entradas conectadas no slot de conexão através de divisores de tensão. A alimentação do microcontrolador central é através dos pinos V SS (negativo) e V DD (positivo) A placa responsável pelo sistema de alimentação será descrita no tópico O terminal RA6 não é utilizado no circuito.
27 Funcionamento do hidrômetro O hidrômetro utilizado é do tipo multijato, vazão nominal 1,5m 3 /h, classe B, DN 20 (NPS ¾). Seu sistema de relojoaria é separado das turbinas de passagem de água, sendo que o acoplamento com o eixo da turbina é feito de forma magnética. A figura 10 mostra o sistema de relojoaria desmontado: Figura 10: Sistema de relojoaria do hidrômetro Fonte: Os autores (2012) O hidrômetro originalmente é selado, sendo necessário romper o lacre do fabricante para verificar seu funcionamento. Na adaptação feita para o protótipo, o topo do copo transparente mostrado na figura 06 foi retirado para possibilitar o acesso aos ponteiros e a instalação do sensor e do disco comutador. A instalação do sensor será feita sobre o ponteiro marcador de quantidade de decilitros, representado no medidor com x0, Adaptação do ponteiro e acoplamento do sensor de pulsos O sensor escolhido para a adaptação foi o PHCT103, uma chave optoeletrônica. Para sua utilização foi necessária uma pequena adaptação no ponteiro. Foi utilizado um extensor de aproximadamente 10 mm acoplado na base do ponteiro, e acoplado neste extensor um disco comutador de diâmetro 25 mm com um chanfro, simulando assim um encoder. O sensor fará a leitura do disco através de pulsos gerados pela comutação do mesmo, a cada passagem do chanfro pelo sensor será