Sistema de detecção de buzinas veiculares para auxílio de condutores deficientes auditivos

Resumo

O presente projeto tem como objetivo desenvolver um sistema que possa identificar sons produzidos por buzinas de veículos a fim de auxiliar condutores deficientes auditivos (LIRA, 2019). Os sons de buzinas são identificados por microfones, e após o tratamento do sinal captado com amplificação e filtragens a informação sobre a intensidade sonora captada é enviada a um microcontrolador que possui módulo de comunicação WiFi. A partir disso, as informações obtidas pelo microcontrolador são transmitidas para um aplicativo de celular, que facilita a visualização para o condutor durante a condução do veículo, e assim identificar de qual direção está vindo o som da buzina (RIBEIRO, 2024). Os microfones utilizados são 4 módulos de sons de alta sensibilidade KY-037, através deles é possível medir a intensidade sonora ao seu redor e variar o estado da sua saída digital caso detectado algum sinal sonoro, além de captar uma faixa de frequência entre 50Hz e 20kHz e ajustar a sensibilidade por meio de um trimpot. A fim de realizar o tratamento do sinal sonoro da buzina detectada, foi elaborado um circuito para amplificar, filtrar e retificar esse sinal. A primeira etapa do circuito é um amplificador não-inversor de ganho 20, já visando que o sistema fosse possível de captar sons mais distantes, utilizando o AmpOp LM741. Após a amplificação do sinal é realizado a filtragem. O filtro foi dimensionado com base nas frequências típicas de diferentes marcas e modelos de buzinas: buzinas elétricas que são de motos, carros, e buzinas eletropneumáticas que são mais fortes e potentes, que são tipo cornetas, encontradas em caminhões. Com isso, foi possível determinar qual tipo de filtro seria utilizado e a sua faixa de frequência de atuação. Foi escolhido um filtro passa-faixa que abrange frequências entre 200Hz e 1kHz, com frequência central de 600Hz. Sinais de frequência fora da faixa de passagem não passam pelo filtro e, consequentemente, não acionam os LEDs. O filtro foi projetado com auxílio do site Texas Instruments utilizando a ferramenta Filter Design Tool, na qual foram inseridas as informações do filtro desejado, gerado um filtro passa-faixa de 4ª ordem de dois estágios. Para adequar a saída do filtro à entrada analógica do microcontrolador ESP32 (máxima de 3,3V), foi necessário a inclusão de um segundo amplificador não-inversor com um ganho de aproximadamente 10. Além disso, como o ESP32 somente faz a leitura de sinais positivos, foi integrado um detector de pico ativo para poder fazer a retificação do sinal sonoro captado pelos microfones. Após o sinal de entrada ter passado por várias etapas de tratamento, é necessário fazer a conversão desse sinal analógico para digital. Essa conversão é realizada pelo ESP32, que além de processar o sinal, possui conexão WiFi integrada. Foi necessário fazer um mapeamento para poder identificar a origem do sinal sonoro das buzinas. Foram definidas as posições dos microfones, dispostos nas posições colaterais do veículo. Para isso, foi preciso obter uma média das dimensões de um automóvel, tendo assim, como comprimento médio de 4,425m e largura média de 1,775m. Com base nisso, pode-se representar a posição dos microfones como vetores, e assim achar o ângulo fixo para todos eles. O cálculo desse ângulo é feito pelo arco-tangente da razão entre o comprimento médio e a largura média das dimensões de um veículo. Sabe-se que os vetores podem ser decompostos nas suas componentes seno e cosseno, logo, pode-se nomear cada microfone referente aos seus respectivos vetores: MICFD (microfone frente direita), MICFE (microfone frente esquerda), MICTD (microfone traseira direita) e MICTE (microfone traseira esquerda). Assim, somando respectivamente as componentes cosseno de cada vetor, e as componentes seno, obtém-se assim as resultantes horizontal e vertical  e . A partir dos vetores dos microfones e das resultantes horizontal e vertical, é elaborado o cálculo para o código a ser executado no ESP32 para o acionamento dos LEDs que vão indicar a direção do som da buzina identificada pelos microfones. A premissa dessa lógica de programação é basicamente medir a intensidade do som da buzina captada pelos microfones, que é transmitida por meio da tensão de saída do circuito. Essa tensão para poder ser calculada dentro do código passa por uma conversão analógica-digital e é atribuída aos seus respectivos componentes de seno e cosseno. Assim, é realizada a soma das resultantes X e Y, e atribuída uma lógica condicional para poder acender os LEDs. Os LEDs permanecerão acesos se alguma buzina for detectada, ou seja, pelo menos alguma resultante X ou Y é maior ou menor que 0, caso não detecte nada eles ficarão apagados, logo X e Y são iguais a 0. A fim de melhorar a visualização desses LEDs e trazer uma melhor acessibilidade para os deficientes auditivos, com a capacidade do ESP32 de realizar conexão WiFi, foi criado um aplicativo que pode ser utilizado em mobile. Desse modo, o condutor consegue visualizar os LEDs através do próprio smartphone. Fazendo uso da plataforma Blynk, é possível atribuir pinos virtuais que estão associados aos pinos físicos utilizados no ESP32. A partir disso foi elaborado o layout do aplicativo, respeitando cada posição dos LEDs, cardeais e colaterais. Visando poder trazer uma maior segurança enquanto se dirige, foi pensado utilizar um motor de vibração, localizado no volante do veículo. Com isso, assim que qualquer som de buzina for captado pelos microfones será possível sentir uma certa vibração no volante, indicando ao condutor que ele deve verificar o aplicativo aberto no seu smartphone e assim identificar a direção do som da buzina. Antes de prototipar o circuito, foram realizadas simulações na plataforma Proteus Design Suite para poder dimensionar e desenvolver o funcionamento do circuito. Após, montar o circuito na protoboard, foram realizados testes de bancada no laboratório, a fim de averiguar o funcionamento na prática, assim, medindo as tensões de saída e variando as frequências de entrada do circuito. A partir disso, teria uma referência da tensão de saída máxima que o circuito irá alcançar quando os microfones forem acionados. Com isso, foi visto a necessidade de calibrar o circuito para poder torná-lo mais estável, já que quando algum microfone era acionado, alguns LEDs acionavam indevidamente. Desse modo, foi substituído um resistor do segundo amplificador não-inversor por um trimpot, assim, para poder deixar os quatros circuitos funcionando de modo equivalente. Porém, mesmo com essa calibração, foi verificado que a baixa sensibilidade dos microfones são um problema a ser solucionado, contudo, não impediu o protótipo de funcionar como foi proposto. Após elaborado o protótipo, e constatado o seu funcionamento, observa-se que o sistema desenvolvido melhorou ainda mais a acessibilidade para os deficientes auditivos. A praticidade de implementação devido ao tamanho relativamente menor dos microfones utilizados, além do aplicativo que fica localizado no painel do veículo, facilitando a visualização para o condutor, e o motor de vibração no volante, trazendo uma maior segurança enquanto se está dirigindo.