1
Introdução
O monitoramento
e controle do sistema de distribuição de água é comumente realizado com o
auxílio de medidores de vazão eletromagnéticos, que tem como base a lei da
indução eletromagnética de Faraday [1]. O MagMaster da ABB [2] e o Waterflux 3070 da Krohne [3] são modelos comumente utilizados, e
por não possuir teclado frontal, a parametrização é realizada com o auxílio de
um computador conectado ao conversor de fluxo pela interface RS-232, como
ilustrado na Figura 1.
Os sistemas de
medição de vazão são de extrema importância para o controle e monitoramento do
sistema de distribuição de água. O seu acompanhamento adequado permite a
descoberta de vazamentos, desvios e um faturamento adequado. Por isso os
medidores de vazão e seus conversores passam por constante manutenção e
parametrização. Essas operações são realizadas com o auxílio de um Notebook,
como ilustrado na Figura 1, exigindo que o operador esteja próximo ao
conversor.
Como os
conversores podem estar em locais de difícil acesso como à beira de estradas,
rios e córregos, essas operações podem trazer riscos aos operadores. Além
disso, as empresas precisariam dispor de notebooks para todas as equipes de
manutenção, sob pena de afetar o controle de produção e distribuição.
Outra
dificuldade associada ao modelo de medidor mencionado ocorre na calibração. Para
tal, além da configuração no conversor, ilustrado na Figura 1, emprega-se uma
segunda medição realizada na estação pitométrica, que é uma instalação
temporária e utiliza calibradores de diâmetros e tubo Pitot para medir a velocidade
do curso da água, conforme ilustrado da Figura 2. Estas duas instalações
precisam ser monitoradas simultaneamente e são separadas fisicamente.
Para
solucionar as dificuldades citadas foi desenvolvida uma interface eletrônica que
permite realizar a parametrização do conversor de fluxo por meio de um
aplicativo para Android em um smartphone. Assim, o dispositivo de baixo custo
foi construído e instalado em conversores de fluxo reduzindo o tempo de
configuração, evitando o uso de notebooks, deixado a operação mais segura e
permitindo que a equipe fique na estação pitométrica e configure o conversor a
distância durante a calibração.
Figura 1: Configuração para parametrização dos conversores de fluxo
utilizando Notebook. Fonte: Autor.
Figura 2: Estação pitométrica e sensor de vazão.
Fonte: Autor.
2
Materiais
e Métodos
O presente
trabalho descreve a construção de uma interface eletrônica e de um aplicativo
para smartphone denominados Flowmobbi e FlowMobbiApp, respectivamente. A
interface eletrônica é conectada ao conversor de fluxo por meio da interface
RS-232, como ilustrado na Figura 3, e converte o sinal do padrão serial para os
níveis de tensão TTL [4], permitindo
a comunicação com o módulo Bluetooth HC-05 [5]. Assim, o conversor de fluxo pode ser configurado com
o auxílio de um Smartphone, no qual fica instalado um aplicativo também
desenvolvido para este trabalho.
O aplicativo
funciona como interface, na qual é possível ter acesso aos valores de medição
de vazão, além dos parâmetros de configuração do conversor, necessários para
realizar a parametrização no sistema de medição. O sistema desenvolvido é
simples, com circuitos básicos, porém a aplicação descrita neste trabalho é inovadora
e permite atualizar os conversores antigos para a tecnologia Bluetooth.
Figura 3: Configuração para parametrização dos conversores de fluxo
utilizando Smartphone. Fonte: Autor.
O
desenvolvimento de dispositivos e técnicas para implementar melhorias no
sistema de distribuição de água evita a substituição de aparelhos antigos já
instalados e reduz o custo de implementação das melhorias [6 - 8]. O monitoramento e controle de
dispositivos a distância podem ser realizados com o emprego de smartphones, no
qual a comunicação pode ser realizada por meio da tecnologia Bluetooth [9]. Além disso, o uso da tecnologia eleva
a capacidade de explorar com eficiência os recursos hídricos disponíveis [10].
O controle
remoto de Robôs [11], dispositivos
eletrônicos [12] e laboratórios [13 - 14] é uma realidade. A migração do
sistema de parametrização do conversor de fluxo para a comunicação Bluetooth
possibilitará o controle remoto desses parâmetros. Esse controle é importante
para a implementação de técnicas que levam a economia no consumo de energia
elétrica [15], a verificação da eficiência dos
locais de medição estratégicos definidos pelos modelos hidráulicos calibrados
da rede de água [16],
utilização de técnicas de inteligência artificial como suporte à decisão em
tempo real para gestão de água [17], possibilita a implementação de sistemas de controle
automático que são considerados como uma alternativa para aumentar o baixo
desempenho das operações manuais tradicionais [18].
Além disso, em
atividades que envolvem risco a saúde humana robôs controlados a distância são
utilizados para realizar tarefas, podendo transmitir vídeo em tempo real para
acompanhamento do trabalho que está sendo executado [11]. Nesse contexto, a configuração
remota do conversor de fluxo evita colocar o técnico em região de difícil
acesso como à beira de estradas, rios e córregos. A seguir descreve-se o
sistema de medição de vazão, os padrões de comunicação utilizados, bem como os
detalhes de construção do Flowmobbi e do FlowMobbiApp.
2.1
Sistema
de Medição de Vazão
Os medidores
de vazão podem ser classificados de acordo com o sinal de saída do sensor como
lineares e não lineares [19]. Os medidores lineares possuem maior aplicação prática por produzirem
uma tensão de saída linear em relação a vazão. Os principais medidores lineares
de vazão são: de área variável, de turbina, de vórtice, eletromagnético,
magnético e ultrassônico [19]. Os sensores de vazão MagMaster da ABB [2] e Waterflux 3070 da Krohne [3], que são comumente utilizados pelas empresas
de distribuição, são de princípio eletromagnético e ficam em contato direto com
a variável a ser medida, no caso a água, e não possui partes móveis no seu
interior.
Devido ao
ambiente adverso em que ficam as tubulações, tais como, soterradas ao longe de
avenidas, próximo à rios e córregos, a maioria dos sistemas de medição
empregados são remotos, com um cabo para conectar o sensor ao conversor de
vazão remotamente, como ilustrado na Figura 1. Desta forma, o sensor e o
conversor ficam instalados em locais distintos. No conversor é possível realizar
a leitura da vazão no local, pelo seu display. Contudo para realizar configurações
e calibrações do sistema, é necessário usar a porta serial, com o padrão RS-232.
Para verificar
o correto funcionamento do conversor de vazão uma equipe de técnicos realiza a
leitura de vazão em uma estação pitométrica, como apresentado na Figura 2 e
compara os valores com os medidos pelo conversor. O tubo Pitot mede a diferença
de pressão entre uma tomada estática e uma dinâmica que está na direção do
fluxo de água. A partir dessa diferença e de outras variáveis, tais como,
densidade, temperatura, viscosidade, área da tomada, rugosidade da tubulação,
cujos sensores ficam na maleta, apresentada na Figura 2, é possível estimar a
velocidade do fluido na tubulação.
Caso o fluxo
medido pela estação pitométrica seja diferente do apresentado pelo conversor
este último é reconfigurado com o auxílio de um notebook, como apresentado na
Figura 1. Com o sistema desenvolvido a configuração do conversor pode ser feita
da própria estação pitométrica com o auxílio de um Smartphone, conforme Figura
3.
2.2
Padrões
de Comunicações
Os conversores
de vazão têm comunicação externa no padrão RS-232, é full-duplex e uma de suas
conexões utiliza o DB-9, que possui 9 pinos, entre eles, RxD para recepção, TxD
para transmissão e os demais destinados a confiabilidade. Esse padrão utiliza
níveis de tensão entre -3V a -15V para níveis altos e entre 3V a 15V para níveis
baixos, entre -3V a 3V são níveis de transição.
O objetivo do
Flowmobbi é receber os dados pelo DB-9 no padrão serial RS-232 e transmitir na
tecnologia Bluetooth para comunicação do conversor com o Smartphone.
Entretanto, a maioria dos dispositivos eletrônicos disponíveis para tecnologia Bluetooth
estão padronizados utilizando de 0 a 0,8V para níveis baixos e de 2 a 5V para
níveis altos, conhecidos como padrão TTL. Como não existe uma correspondência
entre os níveis de tensão dos padrões RS-232 e TTL é realizada uma conversão
entre os sinais utilizando o chip MAX-232 [4].
O padrão sem
fio escolhido para o Flowmobbi foi o Bluetooth, por ser de baixo custo quando
comparado a transmissores de rádio frequência, por exemplo, baixo consumo,
cerca de 50 mW, distância de alcance adequada a aplicação, que precisa de menos
de 10m e possibilita a utilização de Smartphones como dispositivo final de
configuração. O Bluetooth opera em transmissão full duplex, realizada por meio
de ondas de rádio com frequências entre 2,4 a 2,485 GHz [20]. Na sequência, descreve-se a
construção do sistema remoto de parametrização.
3
Resultados
e Discussão
O sistema
remoto de parametrização possui um dispositivo eletrônico (Flowmobbi) e um
aplicativo Android (FlowMobbiApp), que foram desenvolvidos com plataformas gratuitas,
circuitos comerciais de baixo custo e utilizando padrão de comunicação sem fio
Bluetooth. A seguir detalha-se o sistema remoto de parametrização, o
dispositivo eletrônico construído e o aplicativo Android desenvolvido
especificamente para este trabalho.
3.1
Sistema
Remoto de Parametrização
Para realizar
a parametrização o Flowmobbi é conectado ao conversor de vazão, por intermédio
da interface de comunicações RS-232, e com o FlowMobbiApp é possível trocar
informações com o conversor, como ilustrado na Figura 4.
O Flowmobbi se
comunica com o conversor de vazão através do padrão serial RS-232, realiza a
conversão RS-232 / TTL e envia os dados ao módulo Bluetooth HC-05 [5] que se comunica o smartphone pelo FlowMobbiApp,
conforme ilustrado na Figura 4. Essa comunicação é bidirecional e permite
parametrizar todas as funções do conversor, além de ter acesso ao valor das
medições de vazão e totalização atuais.
Figura 4: Diagrama em blocos do sistema de
parametrização. Fonte: Autor
A alimentação
do conversor RS-232 e do módulo Bluetooth, representada na Figura 4 pelas setas
pontilhadas, é realizada com o auxílio de uma bateria 9V e um regulador de
tensão que mantem a tensão constante no valor de 5V, necessário para o
funcionamento do Flowmobbi.
3.2
Dispositivo
Eletrônico: Flowmobbi
O FlowMobbi é
alimentado por uma bateria de 9V, cujo terminal positivo é conectado a uma
chave Liga/Desliga, a um Led para sinalizar que o dispositivo está ligado e a
um regulador de tensão 7805 [21], conforme ilustrado na Figura 5. O regulador fornecer a tensão de 5V na
saída, necessária para a alimentação dos demais componentes do FlowMobbi. A
chave de liga/desliga foi empregada para evitar que bateria descarregue
rapidamente por alimentar o circuito continuamente. Por ser um dispositivo
portátil a chave só é habilitada após ser conectado ao conversor de fluxo instantes
antes de iniciar a parametrização no medidor.
O chip MAX-232
converte o padrão de comunicações serial RS-232, que provém do conversor de
vazão, para os níveis de tensão TTL [4], necessários ao módulo Bluetooth HC-05, conforme esquema
elétrico apresentado na Figura 5. Os capacitores ilustrados na Figura 5 são
necessários para o funcionamento adequado do MAX-232 e têm seus valores
tabelados pela TEXAS INSTRUMENTS [4]. Para efetuar as comunicações entre o medidor de vazão e o
Flowmobbi, um conector DB-9 é interligado ao MAX-232, conforme ilustrado na
Figura 5.
Figura 5: Esquema elétrico do FlowMobbi. Fonte: Autor
A saída do MAX-232
(R1Out), ilustrada na Figura 5, é padrão TTL com 5V de tensão,
entretanto, o módulo Bluetooth, precisa de uma tensão de 3,3V, no seu conector
de recepção (RXD), dessa forma foi utilizado um divisor de tensão com os
resistores R1, R2 e R3. Para proteção das conexões e maior durabilidade do
dispositivo o circuito apresentado na Figura 5 foi implementado em uma placa de
circuito impresso e junto com os componentes foram acondicionando em uma caixa
plástica protetora, conforme apresentado na fotografia da Figura 6. 
Figura 6: Fotografia do Flowmobbi, Dispositivo de
conversão montado. Fonte: Autor
A Figura 6
apresenta o dispositivo FlowMobbi que foi fabricado e instalado em dois
medidores sendo um MagMaster da ABB [2] e outro da Waterflux 3070 da Krohne [3]. Os dispositivos foram fabricados na
Escola Politécnica da Universidade de Pernambuco a um custo aproximado para os
materiais de R$ 75,00. Os testes realizados mostraram funcionamento adequado do
dispositivo e a parametrização desses dois conversores passou a ser realizada
pelo FlowMobbi, a uma distância de até 10m [5]. O FlowMobbi tem consumo de potência de
aproximadamente 100 mW, o que lhe confere uma autonomia de mais 25 horas
transmitindo com uma bateria 9V de 500 mAh.
Para que as
comunicações entre um dispositivo e o módulo Bluetooth ocorram de forma
correta, é necessário que ambos estejam configurados com o mesmo valor de taxa
de transmissão de dados, conhecido por baude rate. Como a taxa de transmissão
dos conversores eletromagnéticos de fluxo utilizados para os testes eram de
4800 baud, os módulos HC-05 foram configurados para essa taxa entrando no modo
de configuração do módulo Bluetooth com o auxílio do software Termite [22]. Nesse modo as configurações do HC-05
são alteradas por comandos AT [5].
O módulo Bluetooth
HC-05 possui uma senha, necessária para dar início ao seu pareamento. Assim,
cada dispositivo FlowMobbi possui uma senha de segurança para evitar que
pessoas desautorizadas possam utilizar o equipamento. Vale salientar que o
dispositivo não deve ser deixado permanentemente no conversor de fluxo e sim
conectado no início da parametrização e retirado ao final. Isso evita que o
dispositivo seja alvo de vandalismo, ou ainda que seja utilizado para
configuração indevida do conversor, o que levaria à prejuízos financeiros das
companhias que empregassem o equipamento.
3.3
Aplicativo
Android: FlowMobbiApp
Os smartphones,
por praticidade, foram escolhidos como ferramenta para configuração dos
medidores de fluxo. Para isso foi desenvolvido um aplicativo para Android na
plataforma MIT App Inventor, que é gratuita. A plataforma usa uma interface
gráfica que permite aos usuários criar aplicações arrastado e soltando objetos
visuais em sua área de trabalho [23].
Com o auxílio
da plataforma MIT App Inventor foi desenvolvido um aplicativo com três telas,
denominado FlowMobbiApp. A tela inicial do aplicativo, ilustrada na Figura 7, é
chamada de Home e possui dois botões, para que o usuário possa escolher entre
os dois tipos distintos disponíveis de configuração, Completa ou Rápida. Essas
configurações se referem aos parâmetros do conversor de fluxo que podem ser
alterados e estão descritas a seguir.
Figura 7: Tela Home do aplicativo. Fonte: Autor
Na
configuração completa é permitido ao usuário acessar todo o menu de
configurações do conversor de vazão, sendo possível realizar a leitura de
valores de vazão em tempo real e alterar seus parâmetros, tais como, correção,
unidade de engenharia e variáveis disponíveis no display [2]. A Figura 8 apresenta a Tela de configuração
completa, na qual por meio do botão Menu é possível configurar todas as
variáveis disponibilizadas pelo Modelo do Conversor ao qual o FlowMobbi está
conectado. A vantagem dessa configuração é que o profissional responsável tem
acesso a todos os parâmetros do conversor.
Figura 8: Tela de configuração completa. Fonte: Autor
Na
configuração rápida, cuja tela está apresentada na Figura 9, o usuário terá
acesso apenas as funções essenciais necessárias para realizar uma configuração
padrão para o funcionamento do sistema de medição. Ou seja, o usuário pode
alterar o fator multiplicativo da vazão “K Fator” e verificar a vazão. A
vantagem desta configuração é a maior rapidez, deixando a mostra apenas as
configurações mais utilizadas
Figura 9: Tela de configuração rápida. Fonte: Autor
Após realizar
a instalação do aplicativo no smartphone e sua configuração para comunicar com
o módulo Bluetooth HC-05, é possível obter os dados do conversor, por
intermédio das Interfaces ilustradas nas Figuras 7 e 8. Os comandos de
parametrização são enviados por meio do aplicativo Android pelo smartphone
quando se aciona o botão “Enviar”. Assim, as configurações seguem para o módulo
Bluetooth e após a conversão dos níveis lógicos pelo Flowmobbi realiza a
parametrização no conversor do medidor de vazão.
O Flowmobbi
foi instalado em campo, conforme fotografia apresentada na Figura 10. As
equipes relataram que após realizar o pareamento do smartphone com o Flowmobbi
e o login de acesso ao conversor, tiveram acesso completo a todo o menu de
configurações do conversor de vazão. Entre as configurações mais utilizadas foram:
leitura de vazão, leitura de fator de correção, mudança no fator de correção e
mudança de unidade de engenharia.
Figura 10: Parametrização em campo. Fonte: Autor
O tempo de
execução das configurações depende da localização do conversor de vazão e do
número de parâmetros que devem ser alterados. Os testes realizados em campo
mostraram que a utilização do Flowmobbi leva a uma redução do tempo de execução
da manutenção que é maior quanto maior for a dificuldade de acesso ao conversor
de vazão. O maior ganho provocado pela utilização do Flowmobbi foi na
mobilidade, pois permitiu que os técnicos responsáveis pela manutenção pudessem
realizar a parametrização remotamente, trazendo mais conforto, segurança e
melhores condições de trabalho para a atividade.
O sistema é
muito mais barato para as companhias, do que a utilização de computadores
portáteis, pelas equipes de campo, ou a substituição dos conversores por outro
modelo já com comunicação sem fio, possibilitando assim uma economia com
equipamentos.
4
Conclusões
Os testes em
laboratório e em campo mostraram o funcionamento do sistema de parametrização
remota para os medidores de fluxo que não possuem tecnologia de acesso remoto. O
desenvolvimento dessa aplicação implicou em redução de gastos com computadores
portáteis, redução do tempo de configuração dos medidores de fluxo, maior
segurança da equipe durante a parametrização, além de evitar que os operadores
fiquem se deslocando entre o conversor de vazão e a estação pitométria.
Além disso, o
Flowmobbi pode ser utilizado em outras aplicações que utilizem comunicações
serial via RS-232 e precisem ser convertidas para níveis de tensão TTL afim de
se comunicar usando o padrão Bluetooth. Podendo levar maior praticidade e
segurança a outras aplicações.
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