Tecnologias de Hardware

Abaixo são apresentadas as tecnologias de hardware que foram utilizadas no projeto SANEP-I²MF, e que são gerenciadas pelo iHorus. São elas: o Sistema Embarcado Raspberry Pi, o System on Chip (SoC) ESP32 e os sensores de temperatura DS18B20, umidade DHT22, nível de água e de cloro.

Sistema Embarcado Raspberry Pi

A Raspberry Pi, também chamada de RPI, é uma placa de baixo custo extremamente compacta, do tamanho de um cartão de crédito, produzida pela Raspberry Pi Foundation, uma fundação inglesa sem fins lucrativos. Ela possui conexões USB para conectar periféricos, como mouse e teclado, e pode ser utilizada inclusive como computador de mesa, se conectada a um monitor HDMI.

Além destas vantagens, pode-se destacar o baixo custo do hardware, além do custo zero do software embarcado, que é baseado no kernel Linux.

Todo o hardware é integrado em uma única placa, e com ela pode-se fazer boa parte do que um computador de mesa faz, como navegar na Internet, reproduzir vídeos de alta definição, criar planilhas e processar textos, além de servir como servidor dependendo do tipo da aplicação. Desta forma, ela é utilizada pelos mais diversos públicos, desde crianças que estão tendo seu primeiro contato com eletrônicos até adultos mais experientes.

Uma das características da placa em relação a computadores de mesa, por exemplo, é a sua capacidade de interagir com o mundo exterior por meio de sensores e/ou atuadores. A Raspberry Pi, trabalhando em conjunto com microcontroladores, pode ser usada em uma ampla gama de projetos digitais.

A sua versão mais recente, Raspberry Pi 4 (model B), utiliza um SoC com arquitetura ARM de quatro núcleos operando na frequência de 1,5Ghz, memórias RAM LPDDR4 que variam de 2GB a 8GB, assim como 4 portas USB, sendo duas USB 2.0 e duas USB 3.0, porta de alimentação USB-C, porta Gigabit Ethernet, duas portas micro-HDMI, entrada de 3,5mm para áudio composto e uma GPIO de 40 pinos com suporte a interfaces I2C, SPI e UART. Como conectividade sem fio, ela possui integrado Wi-Fi 802.11ac dual-band e Bluetooth 5.0.

Seu armazenamento é todo feito por um cartão microSD, uma vez que a RPI não inclui uma memória não-volátil integrada, como um disco rígido, por exemplo. O cartão microSD é responsável por armazenar não só o Sistema Operacional mas também os dados do usuário. Diferentemente de um computador de mesa, a RPI não possui BIOS. Todas as informações relacionadas ao hardware e ao processo de boot são feitas em um arquivo de texto, que é armazenado no diretório raiz do microSD, englobando muitas opções que em um computador de mesa estariam disponíveis apenas na BIOS, como a frequência de operação do processador.

Embora a Raspberry Pi Foundation disponibilize um OS próprio para ela, o Raspberry Pi OS, a placa é compatível com diversas distribuições Linux, incluindo o Ubuntu e o Fedora. A instalação destes sistemas operacionais é simples, consistindo apenas em gravar a imagem do sistema no cartão microSD utilizando um software ou outro utilitário de cópia do tipo bit a bit.

System on Chip ESP32

A ESP32 é um microcontrolador voltado para a área de IoT projetado pela empresa Espressif Systems. Como características, destacam-se sua alta capacidade computacional, sua eficiência energética e sua capacidade de comunicação sem fio, contando com conectividades Wi-Fi e Bluetooth.

O dispositivo é constituído por um microprocessador dual core de 32 bits, podendo trabalhar com frequências de clock de até 240MHz. Além disso, conta com uma memória flash integrada de 4MB e possui 36 GPIOs, dentre elas 18 entradas ADC e 2 saídas DAC.

A ESP32 é compatível com a plataforma de desenvolvimento de software do Arduino, além de possuir o seu próprio SDK e suporte a binários como o MicroPython, por exemplo. No caso do uso do Arduino, isso faz com que o desenvolvimento de projetos com o embarcado se torne mais fácil, uma vez que o código consegue ser portado de uma plataforma para a outra sem que haja a necessidade de grandes mudanças no código.

Hoje, a ESP32 é um dos dispositivos mais robustos e notórios do mercado, principalmente devido a seu baixo custo, tamanho reduzido, versatilidade e confiabilidade. Além disso, por seus esquemáticos serem de código aberto, qualquer pessoa com conhecimentos em projeto de circuitos integrados podem modificar seu layout e criar soluções personalizadas utilizando o seu núcleo.

Tomando como referência os aspectos mencionados, a viabilidade da utilização do dispositivo como microcontrolador para a execução de um projeto de baixo custo e alta conectividade se mostra altamente palpável.

Sensor de Temperatura DS18B20

O DS18B20 é um sensor de temperatura comercial para uso em ambientes úmidos. O sensor funciona com alimentação variando de 3,0V a 5,5V, em corrente contínua, e tem precisão de +/- 0,5 °C nas leituras que variam de -10 °C a 85 °C. Todavia, o sensor também pode ser utilizado nas leituras entre -55 °C e 125 °C, porém com perda de precisão.

A comunicação do sensor é feita através de uma porta digital, seu protocolo de comunicação é o 1-Wire, de modo que apenas um fio precisa ser ligado ao embarcado para troca de dados, e a resolução do sensor pode variar de 9 a 12 bits.

Pelo fato de cada DS18B20 conter um número de série único, vários sensores do tipo podem existir no mesmo barramento 1-Wire. Isto permite a colocação de vários sensores de temperatura em locais diferentes.

O sensor tem custo acessível e pode ser utilizado em diversas aplicações devido a seu funcionamento e implementação.

Sensor de Umidade e Temperatura DHT22

O DHT22, também chamado de AM2302, é um sensor de temperatura e umidade relativa do ar (UR). Para seu funcionamento, o sensor necessita de 3V a 6V de corrente contínua e tem sua escala de medição de temperatura variando de -40 °C a 80 °C e sua medição de UR variando de 0 a 100%.

Apesar destas características, sua imprecisão é de +/-0,2 °C na faixa de -20 °C a 60 °C de temperatura e de +/- 0,5 °C no restante. Já para a umidade relativa do ar, a incerteza é de +/-2%.

O DHT22 utiliza um sensor capacitivo de umidade e um termistor para medir o ar circundante, ambos conectados a um controlador de 8 bits. Por sua vez, o sensor contém 4 pinos, chamados de terminais, mas no seu funcionamento são utilizados apenas 3, sendo eles: o pino de alimentação (Vcc), o pino de dados, no qual produz um sinal digital serial e o pino terra (GND).

O DHT22 também tem custo acessível e pode ser utilizado nas mais diversas aplicações.

Sensor de Nível de Água MB7062-600 XL-MaxSonar-WR1

Com o propósito de implementar nos artefatos do SANEP um sensor de nível de água para medições, foi feita uma pesquisa quanto às suas tecnologias. Como resultado, foi escolhida a tecnologia de Ultrassom, utilizada nos sensores destinados a este tipo de aplicação, para realizar a medição do nível de água. Neste sentido, a solução escolhida foi o sensor MB7062-600 XL-MaxSonar-WR1, fabricado pela MaxBotix e fornecido no Brasil pela Indflow Soluções.

Este sensor tem como características temperatura de operação variando de -40 °C a 70 °C, escala de medição de curta a longa distância, podendo atingir o comprimento máximo de até 15 metros de profundidade d'água no interior dos reservatórios e grau de proteção suficiente para montagem em ambientes com presença de água e umidade. Devido a suas dimensões, sua montagem pode ser realizada no interior de tubos cujo diâmetro gira em torno de 3/4 de polegada.

O MB7062-600 é projetado com um filtro de estabilidade para ajudar a prevenir grandes mudanças repentinas nas leituras de alcance. Além disso, o sensor oferece leituras de distância virtualmente sem ruído por meio do uso de potência acústica combinada com ganho continuamente variável, calibração automática de fundo em tempo real, análise de assinatura em forma de onda, também em tempo real, e algoritmos de rejeição de ruído.

Além disso, o sensor faz uso de saída digital, tendo como taxa de leitura 10Hz e utiliza protocolos de comunicação abertos, como o protocolo serial RS232, facilitando sua implementação por parte dos desenvolvedores. Para seu funcionamento, o sensor necessita ser alimentado com uma com tensão contínua, variável entre 3V e 5,5V, gerando assim uma saída de 3.4mA.

Sensor de Nível de Cloro Kapta™ 2000

Levando em consideração as características do projeto SANEP-I²MF, bem como a faixa de operação necessária, o emprego de um Sensor de Nível de Cloro se faz pertinente na solução concebida. Ele tem como objetivo registrar os níveis de cloro contidos em água potável, a ser distribuída para o consumo direto, bem como a experiência da empresa fornecedora.

Esse tipo de sensor possui aplicação típica no controle de qualidade da água, podendo tornar extremamente segura e confiável a água potável fornecida aos consumidores ao longo das linhas de distribuição e armazenamento da mesma.

O sensor de nível de cloro é fabricado pela Veolia e integra a linha de sensores Kapta™, que oferece soluções exclusivas de detecção ambiental para redes de distribuição de qualidade da água e controle de processos industriais. O modelo do sensor selecionado foi, portanto, o Kapta™ 2000.

Ele foi concebido especificamente para realizar a medição de cloro ativo (HOCL) e a temperatura diretamente dentro de um tubo pressurizado, no interior do qual está montado, o que torna apta a sua utilização no SANEP, podendo ser tanto instalado ao longo da rede de distribuição, quanto nos reservatório de água existentes na cidade.

Como características, o sensor pode aferir o nível de cloro ativo entre 0 e 5mg/l, dispensa o uso de reagentes, possui baixo consumo de energia e demanda manutenção, quando utilizado de maneira contínua, a cada 9 meses. Assim como o sensor de nível de água, sua montagem também pode ser realizada no interior de tubos cujo diâmetro gira em torno de 3/4 de polegada.

Ao ser alimentado com tensão contínua, variável entre 10V e 24V, a corrente de saída, de acordo com o valor medido, atinge números que variam entre 4mA a 20mA.