SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Desenvolvimento de solução no Amazon AWS

 

Por Olga Satomi Yoshida e Leonardo Fonseca Larrubia

INTRODUÇÃO

 

Este artigo mostra com detalhes o desenvolvimento do Sistema de Medição Aplicativo utilizado no Sistema de Medição de consumo de água. A Figura 1 mostra a tela de abertura do sistema aplicativo. Na sequência serão apresentadas cada uma das funcionalidades desse sistema. Para melhor compreensão deste artigo leia antes o artigo técnico “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição do Sistema”.

 

Figura 1: Tela principal do sistema aplicativo.

SISTEMA DE MEDIÇÃO APLICATIVO

Armazenamento e processamento na Amazon Web Services (AWS)

Os dados coletados e enviados a nuvem pelo sistema físico de medição precisam ser corrigidos e analisados para gerar os perfis de consumo do local monitorado. Foi desenvolvido um aplicativo tipo dashboard com este proposito especifico, e que qualquer um, em qualquer lugar e a qualquer tempo possa acessar os resultados do aplicativo.

As seguintes tecnologias foram utilizadas para desenvolver o aplicativo.

 

Amazon Elastic Compute Cloud (EC2)

O Amazon Elastic Compute Cloud  (EC2) é um serviço web da Amazon Web Services (AWS) que disponibiliza capacidade computacional segura e redimensionável na nuvem.  A AWS oferece gratuitamente 750 horas de utilização do EC2 executando uma instância t2.micro Linux, RHEL ou SLES (1 GiB de memória e suporte para plataformas de 32 e 64 bits) durante 12 meses  (Figura 2 e a Figura 3).

Figura 2: Tela de Login da AWS.

Figura 3: Página do EC2-AWS que possibilita a administração dos computadores em nuvem.

 

Ubuntu Linux Server

É o sistema operacional (SO) para operar o recurso computacional na nuvem. O sistema é de uso é gratuito e seu código fonte é aberto.

 

R: The R Project for Statistical Computing

https://www.r-project.org/about.html

É uma linguagem e também um ambiente de desenvolvimento integrado para cálculos estatísticos e gráficos. O seu uso é gratuito, assim como o código fonte que está disponível sob a licença GNU GPL. O R possui uma vasta comunidade de usuários que disponibilizam variados “pacotes” (conjunto de rotinas, funções e/ou dados pré-programadas). Neste projeto são utilizados os seguintes pacotes:

• • shiny: cria aplicativos para web que permitem um certo grau de interação com o usuário;
  • shinydashboard: simplifica a criação de dashboard;
  • ggplot2: constrói variados tipos de gráficos;
  • plotly: constrói variados tipos de gráficos interativos;
  • rmarkdown: cria e formata documentos dinâmicos e páginas web estáticas;
  • dplyr: auxilia na manipulação e estruturação de dados;
  • stringi: auxilia na manipulação e formatação de textos;
  • lubridate: auxilia na manipulação e formatação de datas e horas.

 

RStudio Server

É um Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) para programação em R que é acessado via browser (navegador). Esse IDE permite uma melhor organização no desenvolvimento do sistema e facilita a programação (Figuras 4 e 5).

Figura 4: Tela de Login para acessar o RStudio Server via browser

Figura 5: Interface do ambiente RStudio Server

Shiny Server

É um servidor que permite a disponibilização online de aplicativos shiny. Possui recursos de escalabilidade, segurança e administração de nível corporativo.

Organização e funções do R

Foi criado um servidor com o sistema operacional (SO) Linux Ubuntu no EC2 da AWS que é responsável por disponibilizar recursos computacionais na nuvem. Nesse SO foi criado um sistema de diretórios para a organização do projeto de medição. Sua estrutura é presentada na Figura 6.

Figura 6: Organização dos diretórios para o projeto de medição de perfil de consumo de água.

Também foram instalados nesse SO os softwares R, RStudio Server e Shiny Server. Toda a programação para leitura, comandos e as análises dos dados foram realizadas usando o R. Os scripts com o códigos em R foram construídos e divididos de acordo com as funcionalidade exigida pelo sistema. Ao todo existem oito scripts, a seguir listados.

• atualiza.R: conecta-se com a conta do pCloud, baixa, atualiza e faz uma estruturação e formatação inicial do conjunto de dados no diretório do computador da nuvem;
• func_auxiliar.R: conjunto de funções genéricas de suporte que tem papel secundário nas análises;
• func_carregaDados.R: conjunto de funções que carregam os dados dos diretórios e os estruturam numa única tabela;
• func_corrigeDados.R: conjunto de funções que transformam as observações da base temporal de evento para hora, período do dia e dia. Também possuem funções que verificam a consistência e aplicam correções aos dados;
• func_estatisticas.R: conjunto de funções que obtém informações estatísticas dos dados;
• func_interface.R: conjunto de funções responsáveis pela construção da interface do aplicativo;
• func_visualizacao.R: conjunto de funções que geram gráficos;
• pacotes.R: conjunto de pacotes utilizados na programação e análise.

O RStudio Server foi utilizado como um IDE auxiliar para a interação com o R, além de servir como uma interface de acesso ao servidor via browser. Já o Shiny Server é responsável por “disponibilizar” o aplicativo online, atendendo as requisições de acesso do usuário.

 

Componentes funcionais do aplicativo

De modo geral, o funcionamento do sistema na nuvem pode ser dividido em duas partes: atualização e formatação dos dados e a análise e apresentação dos resultados.  Na Figura 7, pode-se observar que o esquema desenvolvido simplifica todo esse sistema na nuvem: O esquema do processo da operacionalização dos dados na nuvem relacionando o uso de cada tecnologia. Em 1 o desenvolvedor cria toda a operacionalização e análise de dado na nuvem e faz ajustes quando necessário. Em 2 o sistema na nuvem conecta-se ao pCloud e baixa e atualiza os dados no computador na nuvem.  Em 3 o usuário solicita o acesso ao aplicativo quando acessa o endereço via web e recebe as informações e análises (Figura 7).

Figura 7: Esquema do processo da operacionalização dos dados na nuvem.

 

Atualização e formatação dos dados

Consiste em um script em linguagem R (atualiza.R) responsável por baixar os dados do pCloud e salvá-los em um diretório local do sistema operacional Ubuntu Linux. Os dados primários estão organizados em arquivos .csv que são definidos por sensor e por dia. Após serem baixados, esses dados são estruturados em uma única tabela e a quantidade de pulsos acumulada pelo sistema de medição em cada evento é transformada em volume de água consumida. Depois é aplicada uma análise de consistência e, por fim, a tabela é salva. O sistema operacional manda o R executar essa rotina a cada 15 minutos.

 

Análise e apresentação dos resultados no aplicativo

A seguir os resultados de consumo são organizados em três bases temporais: hora, período do dia (madrugada, manhã, tarde e noite) ou dia. Diversas análises estatísticas são aplicadas e vários gráficos são construídos para cada base temporal de consumo. As análises e o monitoramento do consumo são apresentados em um aplicativo do tipo dashboard. Esse procedimento é executado toda vez que um usuário acessa o aplicativo.

 

Inteligências inseridas no aplicativo

A primeira ação do aplicativo é a análise de consistência dos dados monitorados dos sensores. O objetivo é identificar e eliminar ruídos no conjunto de dados. Eventos que apresentam consumos acima de um limite máximo são considerados ruídos e são excluídos. Para as torneiras e mictórios foi fixado um volume máximo de 3600 litros por hora.

Devido a uma falha inerente de conectividade do sistema de medição, há sempre um delay no acionamento do sistema de medição, e portanto foi acrescentado um tempo médio de 2,5 segundos ao tempo de duração dos eventos.

O volume obtido para os eventos de cada ponto de medição é sempre corrigido pela curva média de erro de cada medidor de acordo com as calibrações realizadas em laboratório.

Nos vasos sanitários é registrado apenas a ocorrência de evento com sua respectiva duração, sem ser medido, de fato, o consumo de água em cada evento. Tal consumo é estimado pela multiplicação da vazão média de descarga (obtidas através de estudos anteriores) com a duração do evento.

Com os consumos de cada ponto já estimados e corrigidos parte-se para a fase de análises estatísticas, que procuram descrever o perfil de consumo de água no ambiente. Os consumos, que até então eram por evento, são agregados por hora, por período do dia e por dia. De acordo com cada uma dessas bases temporais são obtidas algumas estatísticas resumo como média, mediana, máximo, mínimo de consumo, entre outras.

Os gráficos de séries temporais exibem a história do consumo até o momento atual. Os gráficos de “pizza” mostram a participação de cada aparelho ou grupo de pontos no consumo total. Os gráficos de barras permitem desagregar o consumo de acordo com a base temporal selecionada, possibilitando a visualização dos picos horários de maior consumo, a verificação de consumo nas madrugadas, ou os dias de maior consumo na semana. Os gráficos  boxplot e histogramas descrevem a distribuição da dispersão dos consumos ocorridos, sendo possível perceber qual é a faixa de consumo mais frequente, se períodos de tempo de consumo elevados são recorrentes, quais os valores de consumo mais destoantes entre muitas outras funcionalidades de análises.

As falhas possíveis de ocorrer são:

• Perda de dados em decorrência de falta de energia, falta de bateria, ou entupimento da mangueira de água provocando erros como ZEROS ou VAZIOS nos registros de pulsos; ou
• erro no registro de pulsos tipo outlier impactando no volume calculado.

Foi desenvolvida uma inteligência de dados para gerar alarmes, identificar e corrigir estes erros em tempo real. Na Figura 8 os alarmes estão indicando perda de dados em 3 aparelhos, 2 mictórios e uma torneira. Para estes pontos, a inteligência do aplicativo estima um consumo para toda perda de dado.

Figura 8: No link, a direita indicação de que não está havendo registro de consumo em três aparelhos.

 

Interfaces de acesso às funcionalidades do aplicativo

O aplicativo permite ao usuário ter acesso às informações e análises do consumo de água de forma dinâmica, fácil, simples e em tempo real. O aplicativo apresenta uma interface em essencialmente duas partes: uma barra lateral de navegação  (Figura 9 – A) e um painel que exibe informações e análises de acordo com o item selecionado na barra lateral (Figura 9 – B).

Figura 9: – Tela inicial do aplicativo.

A barra lateral é composta por três itens (Figura 10 – A):

• Monitoramento: exibe informações do consumo;
• Informações técnicas: exibe informações mais técnicas sobre o projeto;
• Sobre: breve descrição do projeto.

Monitoramento: agrupa seis subitens responsáveis por exibir o consumo de água de acordo com o local escolhido pelo usuário (Figura 10 – B):.

• Global: relativo ao consumo de todo o ambiente.
• Torneiras: relativo ao consumo das torneiras. Na parte inferior do painel que exibe o acompanhamento de consumo é possível selecionar e exibir as informações individualizadas de cada torneira.
• Mictórios: relativo ao consumo dos mictórios. Na parte inferior do painel que exibe o acompanhamento de consumo é possível selecionar e exibir as informações individualizadas de cada mictório.
• Vasos: relativo ao consumo dos vasos.
• Frequência de pessoas: relativo à quantidade de pessoas que usam o ambiente.
• Análise de correlação: permite o usuário fazer uma cruzar o perfil de consumo entre os pontos de monitoramento.

Além dos seis subitens há uma barra de seleção que permite o usuário selecionar a base temporal (hora, período do dia ou dia) na qual deseja exibir as informações e análises do consumo; há uma caixa de marcação que permite o usuário escolher se quer ou não considerar os períodos que não houve consumo na análise e, por fim, há dois campos de data em que o usuário pode definir a data de inicio e de fim do período que deseja acompanhar o consumo.

O item Informações técnicas é composto por quatro subitens (Figura 10 – C)::

• Sensores: exibe detalhes dos sensores e sobre seu funcionamento;
• Modelagem: exibe informações sobre a modelagem aplicada aos dados;
• Equipe: exibe a composição da equipe que participou do projeto;
• Outros: exibe outras informações que podem ser relevantes.

O item Sobre exibe informações gerais sobre o projeto.

Figura 10: Detalhamento da barra lateral.

RESUMO

 

Este artigo apresentou com detalhes a solução desenvolvida para o Sistema de Medição Aplicativo e as diversas funcionalidades e ferramentas de análise que foram disponibilizadas aos usuários.

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA

Outros artigos da série

• Descrição da solução;
• Dispositivos Medidores Eletrônicos versáteis;
• Contador de pessoas utilizando PIR;
• Soluções alternativas para medir fluxo de água;
• Desenvolvimento de solução no Amazon AWS (este artigo);
• Estudo de Caso (Em breve).

 

Esta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE PERFIS DE CONSUMO DE ÁGUA – Desenvolvimento de solução no Amazon AWS“, de  Olga Satomi Yoshida e Leonardo Fonseca Larrubia está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Dispositivo Medidor versátil

Por Henrique Frank Werner Puhlmann

INTRODUÇÃO

 

Este artigo é parte da série de artigos SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA. Neste artigo será descrita a solução adotada para implementar um Dispositivo Medidor versátil. Para melhor compreensão deste artigo leia antes o artigo técnico “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição do Sistema”.

 

ESPECIFICAÇÕES

 

O Dispositivo Medidor versátil é a porta de entrada para o sistema de medição de consumo de água desenvolvido. Ele possui recursos que permitem medir por meio de sensores o consumo de água em tempo real. Na Figura 1 podemos observar um diagrama simplificado do sistema completo.

Figura 1: Diagrama do Sistema

Observe que o Dispositivo Medidor é instalado em cada ponto de entrega de água, quando possível.

O sistema eletrônico para medição de água deverá atender aos seguintes requisitos técnicos:

• Ser de baixíssimo consumo;
• Que opere alimentado por baterias;
• Fácil troca de baterias;
• Dimensões reduzidas;
• Discreto;
• Permitir a instalação individual nos pontos de entrega de água;
• Facilmente reconfigurável;
• Que se comunique com um gateway por meio de uma rede sem fio;
• Etc.

DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO

 

Ficou decidido que seria realizado um projeto eletrônico customizado para atender a esses requisitos. Inicialmente foi realizada uma pesquisa de possíveis plataformas de desenvolvimento candidatas para o projeto. Essas plataformas deveriam atender aos seguintes requisitos:

• De baixo consumo de energia (bateria/pilha);
• Dimensões reduzidas;
• Estar acondicionado em módulo autônomo por conta do prazo para o desenvolvimento;
• Possuir interface para contador interno, ou permitir utilizar um externo;
• Relógio interno de tempo real;
• Entradas digitais;
• Interface com rádio no módulo, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee ou LoRa;
• Bom alcance da comunicação sem fio, mesmo quando operado com baterias;
• Encapsulamento fácil de ser soldado em placa de suporte desenvolvida no IPT;
• Possuir kit de desenvolvimento de baixo custo para desenvolver a PoC;
• Software de desenvolvimento gratuito ou de baixíssimo custo;
• Kits de desenvolvimento para acelerar o aprendizado e o desenvolvimento propriamente dito;
• Outros.

Os resultados dessa pesquisa, realizada no início de 2017, encontram-se na Tabela 1. Considerando a velocidade em que surgem novas tecnologias e desaparecem tecnologias aparentemente sólidas, os dados dessa tabela podem estar obsoletos após quase dois anos.

Tabela 1 – Comparativo das plataformas pré-selecionadas

Aplicando os critérios de seleção e alguns critérios internos de investimento em tecnologias inovadoras, foi selecionada a plataforma para o LoPy da Pycom. O LoPY possui internamente módulos prontos para comunicação Wi-Fi, Ble e LoRa. Para maiores detalhes técnicos, consulte o Manual do LoPy [1].

Utilizando essa plataforma como base do desenvolvimento, foi projetada uma placa eletrônica para acomodar a maioria dos critérios pré-estabelecidos. O Dispositivo Medidor, mostrado na Figura 2, é composto por diversos blocos funcionais. Ele é alimentado por pilhas ou baterias recarregáveis, dispostas em gabinete externo e ligado à placa por meio de um conector. A tensão de alimentação passa pelo bloco de Fonte de Alimentação, que basicamente cuida da segurança contra sobrecargas e inversão de polaridade para proteção do Dispositivo. Paralelamente é medido o nível de tensão da bateria para que se possa monitorar a carga da bateria e sinalizar quando a bateria está fraca.

Figura 2: Detalhes do Dispositivo Medidor

Há um módulo integrado, que gerencia o Dispositivo Medidor, e que contém um poderoso microprocessador e módulos de rádio integrados no mesmo bloco (LoPy). Os módulos de rádio permitem a comunicação por meio de Wi-Fi, Bluetooth e LoRa, sendo que a seleção e configuração é simples. Neste projeto foi utilizado um módulo de rádio adicional de comunicação ZigBee do tipo XBee.

Para medir a vazão de água foram selecionados dois tipos de medidores a serem utilizados conforme a necessidade: Uma chave de fluxo, que fecha um contato quando o fluxo de água é maior do que um determinado patamar e um medidor do tipo roda d’água que gera pulsos conforme a água vai passando pelo medidor.

Os pulsos gerados pelo medidor de vazão são acumulados num contador para que estejam disponíveis para leitura quando o microprocessador o solicitar. Foi prevista a inclusão de um detector de pulsos, que gera um sinal ao microprocessador quando houver pulsos vindos do medidor de vazão com a finalidade de acordar o microprocessador, se este estiver “dormindo”. Esse recurso serve para conservar a energia das baterias, e para sinalizar o início e fim do fluxo de água.

Outro recurso disponível no dispositivo são mini chaves programáveis para atribuir um endereço para a placa  e selecionar a configuração para medição usada no dispositivo. A placa resultante do projeto pode ser observada na Figura 3.

Figura 3: Vista da placa do Dispositivo Medidor

As chaves destacadas em amarelo, compõem o endereço atribuído à placa, 32 endereços possíveis (0 a 31). As chaves destacadas em azul correspondem à programação de função de operação da placa, permitindo sinalizar até 8 funções distintas. A seguir, algumas funções já definidas:

• Medidor de vazão com sensor do tipo roda d’água;
• Medidor de vazão com sensor de fluxo;
• Medidor combinado: Fluxo e Vazão;
• Medidor Especial para vasos sanitários;
• Contador de pessoas;
• Datalogger;
• Reserva;
• Contador de pessoas sempre ligado.

Obs:   As funções já vêm pré-programadas no firmware desenvolvido para o dispositivo. Não há a necessidade de se programar um novo firmware quando for trocada a função de operação.

O sistema de medição foi instalado na toalete masculina na entrada do prédio 56 do IPT, que é utilizado pelos alunos de mestrado no período noturno, e durante o dia por colaboradores majoritariamente do CIAM e da Secretaria Acadêmica do IPT. Na Figura 4 pode-se observar detalhes da instalação de testes. Note que cada ponto de entrega de água tem um medidor de fluxo de água e uma placa eletrônica associados.

Figura 4: Vista das placas acomodadas numa caixa de proteção e dos pontos monitorados.

Especificação da operação dos Dispositivos Medidores 

Como os Dispositivos Medidores são operados com pilhas ou baterias recarregáveis, eles passam a maior parte do tempo em estado de espera, “dormindo”, consumindo um mínimo de energia até que ocorra um evento. O evento é processado e enviado imediatamente ao concentrador.

Eventos previstos para acordar o Dispositivo Medidor

• Quando operando na configuração de atuação por chave de fluxo, ocorre a detecção de fluxo de água (Fecha-se o contato);
• Quando operando na configuração de medição de vazão com medidor do tipo roda d’água, ocorre a detecção de vazão no medidor (Geração de pulsos digitais);
• Por tempo, a cada 1 Hora após o último evento, para sinalizar que o dispositivo está operacional (Heartbeat), ou num intervalo de tempo menor a ser definido, 15 minutos, por exemplo, quando está operando no modo de Aquisição de Dados;
• Registro de que o Dispositivo foi Ligado / Religado ou “ressetado” por algum motivo.

 

COMENTÁRIOS

 

O módulo LoPy, quando adquirido, não estava muito maduro. Apresentou diversos problemas ao longo de sua utilização. Só para citar alguns:

• A corrente consumida no estado de sono profundo (deep sleep) fica em torno de 12 mA;
• Tivemos diversos problemas com as ferramentas de desenvolvimento de software, travamentos etc;
• O módulo apresentou um comportamento estranho de alguns pinos de I/O durante as fases de dormir e acordar do estado de deep sleep;
• O módulo demora entre 2 a 3 segundos para acordar do deep sleep;
• A memória reservada para os scripts de MicroPython é pequena. Comporta no máximo 32 kBytes de tamanho;
• A documentação de modo geral é bem precária e a assistência técnica quase nula.

Por outro lado, o sistema se mostrou bastante versátil, poderoso e fácil de programar. Apesar do consumo de corrente elevado, utilizando-se baterias recarregáveis de 2.500 mAH, a carga da bateria dura até 6 dias quando se tem um uso moderado dos equipamentos e no mínimo 2 dias com um uso constante. Atualmente (2018) o LoPy já ficou obsoleto, entrando o LoPy4 em seu lugar. Numa primeira leitura me parece que muitos desses problemas foram corrigidos.

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA

Outros artigos da série

• Descrição da solução;
• Dispositivos Medidores Eletrônicos versáteis (este artigo);
• Contador de pessoas utilizando PIR;
• Soluções alternativas para medir fluxo de água;
• Desenvolvimento de solução no Amazon AWS;
• Estudo de Caso (Em breve).

 

Referências

• [1] – Manual do LoPy

 

Esta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE PERFIS DE CONSUMO DE ÁGUA – Dispositivo Medidor versátil“, de  Henrique Frank Werner Puhlmann está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

 

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição da Solução

Por Olga Satomi Yoshida, Nilson Massami Taira, Ramon Vals Martin. Leonardo Fonseca Larrubia, Henrique Frank Werner Puhlmann e Ícaro Gonçales

INTRODUÇÃO

 

Este artigo é o primeiro de uma série de artigos sobre uma solução de medição de consumo de água e mapeamento de perfil de consumo, desenvolvida para atender a uma demanda principalmente de Empresas Públicas, que enfrentam o problema de caracterizar o perfil de o consumo de água em suas instalações e que gostariam de ratear os custos associados internamente e fiscalizar inquilinos que alugam espaço nas suas instalações (Lanchonetes, bares, etc.). Também há a necessidade de quantificar os custos associados às instalações sanitárias públicas com função social, especialmente as que servem a população de moradores de rua.

O objetivo deste projeto foi de desenvolver e testar um SISTEMA DE MEDIÇÃO de água PORTÁTIL e de BAIXO CUSTO para que possa ser instalado sem intervenções nas instalações hidráulicas e sem obras civis.   Em muitas edificações a medição do consumo de água só é realizada nas entradas de água do sistema hidráulico com ramais internos encobertos por paredes, muitas vezes de concreto e inacessíveis. Para ratear a conta de água de um grande consumidor é necessário desagregar o volume total consumido pelos usos finais da água ou por usuários, mas os atuais métodos de individualização são extremamente intervencionistas e de alto custo de instalação e manutenção.

Este projeto desenvolveu um SISTEMA DE MEDIÇÃO que está instalado no toalete masculino na entrada do Prédio 56 do IPT. Este sistema desagrega, em tempo real, o volume  consumido no toalete por aparelho sanitário, por turno ou hora e por atividade, caracterizando totalmente o consumo de água dos seus usuários, alunos dos mestrados e colaboradores que trabalham no prédio. Estas medições podem ser acompanhadas em tempo real via aplicativo na nuvem da Amazon Web Services – AWS (Figura 1).

Figura 1: Panorama dos aplicativos e dados acumulados na nuvem AWS

As tecnologias utilizadas para desenvolver este sistema de medição são as mesmas daquelas do IoT Internet of things que, individualmente não são novas, entretanto a inclusão da Internet e das ferramentas analíticas acrescentam a característica inovadora deste sistema de medição, que agregou a capacidade de se ajustar a diferentes instalações hidráulicas e também a capacidade de atribuir consumos de água a qualquer ponto de consumo de água, mesmo quando a aquisição de dados é interrompida pela falta de energia ou carga nas baterias bem como falhas nos sensores ou entupimentos nas mangueiras.  O sistema de medição aloca uma predição do consumo no lugar de um dado de medição perdido com margem de erro de 20 %.

 

ESPECIFICAÇÕES

 

As faturas de água são emitidas em bases mensais a partir de leituras de medidores instalados na entrada dos edifícios, que medem o consumo coletivo de vários pontos de consumo de água ou unidades consumidoras de água: aparelhos sanitários, equipamentos de lavagem, torneiras, apartamentos ou escritórios. Como os volumes consumidos variam muito entre as unidades consumidoras, a atribuição das suas responsabilidades pelo uso final da água e o rateio da conta coletiva demanda em desagregar o volume do consumo coletivo pelas unidades consumidoras tais como apartamentos ou escritórios. A solução existente para este problema requer obras civis para novas instalações hidráulicas de alto custo de implantação e manutenção. A desagregação do perfil do consumo coletivo sem modificar as instalações hidráulicas parece ser ainda um problema sem solução.

Foi proposto o desenvolvimento de um sistema de medição desagregador do consumo coletivo com as seguintes características.

• PORTÁTIL: os componentes físicos do sistema de medição são facilmente instalados e desinstalados, e transportáveis numa mala de equipamentos;
• NÃO DESTRUTIVO: a instalação do sistema medidor não requer intervenções nem obras civis, sendo de fácil instalação ou remoção;
• MINIMAMENTE VISÍVEL (para minimizar eventuais vandalismos);
• RASTREÁVEL: todos os resultados são rastreáveis com monitoramento a tempo real pela Internet;
• BAIXO CUSTO: os sensores e a conectividade são de baixo custo;
• ANALÍTICO: para que o sistema de medição trabalhe com componentes de baixo custo e seja ajustável a qualquer instalação hidráulica sem intervenções, foi feito  uso de ferramentas analíticas e inteligência agregada nas várias instalações monitoradas.

As tecnologias adotadas são as mesmas daquelas muito utilizadas em IoT Internet of Things que não são novas, entretanto a inclusão da Internet e das ferramentas analíticas acrescenta a faceta de inovação do sistema de medição desenvolvido neste projeto.

 

SOLUÇÃO DESENVOLVIDA

 

As tecnologias utilizadas no sistema de medição proposto pertencem à cadeia tecnológica do IoT, Internet of Things. São:

• Sensores;
• Conectividade;
• Armazenamento e processamento na nuvem;
• Ferramentas analíticas.
• Aprendizado de máquinas e algoritmos.

O sistema desenvolvido coleta e armazena as medidas e as transmite para um repositório de arquivos numa nuvem gratuita, onde esses dados são armazenados de forma organizada e disponibilizados para acesso de outros locais para monitoramento e análise. O sistema de medição de perfis de consumo é composto por dois sistemas interagentes.

• Sistema de medição físico distribuído, composto por dispositivos medidores de vazão, um contador de pessoas e um concentrador que faz a ponte entre estes dispositivos e uma nuvem gratuita, para onde os dados são transferidos em tempo real. Foi selecionado o padrão de comunicação ZigBee para realizar a comunicação local;
• Sistema de medição aplicativo, que processa os dados transferidos em tempo real na nuvem da AWS, utilizando ferramenta analíticas, produzindo medições lidas e medições analíticas e preditivas para substituir dados faltantes ou com erros, disponibilizando os perfis de consumo de água do local monitorado em vários formatos, desagregados por aparelho de consumo, por hora e por turno.

O aplicativo sistema de medição atualmente localiza-se na nuvem da Amazon Web Services – AWS, mas pode ser facilmente ser migrado para outros dispositivos computacionais, tais como computadores, celulares ou tablets. O diagrama genérico dessa solução está representado na Figura 2.

Figura 2: Diagrama do sistema

ESTUDO DE CASO

 

O sistema de medição foi instalado na toalete masculina na entrada do prédio 56 do IPT, que é utilizado pelos alunos de mestrado no período noturno, e durante o dia por colaboradores majoritariamente do CIAM e da Secretaria Acadêmica do IPT. Pode-se observar a fachada externa do local na Figura 3.

Figura 3: Fachada externa do prédio 56 do IPT

Este sistema desagrega, em tempo real, o volume  consumido na toalete por aparelho sanitário, por turno ou hora e por atividade, caracterizando totalmente o consumo de água dos seus usuários, alunos dos mestrados e colaboradores do CIAM. A seguir são apresentadas algumas fotos das instalações do sistema de medição na toalete. Na Figura 4, pode-se observar a instalação dos sensores nos mictórios.

Figura 4: Mictórios instrumentados

De maneira semelhante, foram instrumentados os lavatórios. (Figuras 5 e 6).

Figura 5: Vista panorâmica dos lavatórios

Figura 6: Detalhe da instalação no lavatório

Nesse Estudo de Caso, foi definido que, mesmo medindo separadamente cada ponto de entrega de água, as placas eletrônicas estariam melhor protegidas, se colocadas numa caixa plástica de proteção apoiada sobre um carrinho móvel. Essa ação também facilitou os testes e manuseio das placas eletrônicas e a movimentação do conjunto para facilitar a limpeza do local. Veja a caixa na Figura 7.

Figura 7: Caixa plástica utilizada para abrigar as placas eletrônicas carrinho.

COMPONENTES DA SOLUÇÃO

Dispositivos medidores

O Dispositivo Medidor, mostrado na Figura 8, é composto por diversos blocos funcionais. Ele é alimentado por pilhas ou baterias recarregáveis, dispostas em gabinete externo e ligado à placa por meio de um conector. A tensão de alimentação passa pelo bloco de Fonte de Alimentação, que basicamente cuida da segurança contra sobrecargas e inversão de polaridade para proteção do Dispositivo. Paralelamente é medido o nível de tensão da bateria para que se possa monitorar a carga da bateria e sinalizar quando a bateria está fraca.

Há um módulo integrado, que gerencia o Dispositivo Medidor, e que contém um poderoso microprocessador e módulos de rádio integrados no mesmo bloco. Os módulos de rádio permitem a comunicação por meio de Wi-Fi, Bluetooth e LoRa, sendo que a seleção e configuração é simples. Neste projeto foi utilizado um módulo de rádio adicional de comunicação ZigBee do tipo XBee.

Para medir a vazão de água foram selecionados dois tipos de medidores a serem utilizados conforme a necessidade: Uma chave de fluxo, que fecha um contato quando o fluxo de água é maior do que um determinado patamar e um medidor do tipo roda d’água que gera pulsos conforme a água vai passando pelo medidor.

Os pulsos gerados pelo medidor de vazão são acumulados num contador para que estejam disponíveis para leitura quando o microprocessador o solicitar. Foi prevista a inclusão de um detector de pulsos, que gera um sinal ao microprocessador quando houver pulsos no medidor de vazão com a finalidade de acordar o microprocessador se este estiver “dormindo”. Esse recurso serve para conservar a energia das baterias, e para sinalizar o início e fim do fluxo de água.

Outro recurso disponível no dispositivo são mini chaves programáveis para atribuir um endereço para a placa  e selecionar a configuração para medição usada no dispositivo.

Figura 8: Detalhes do Dispositivo Medidor

Contador de Pessoas

O Contador de Pessoas é composto por um Dispositivo Medidor com firmware customizado para essa função, acoplado a um PIR (sensor infravermelho passivo) e uma fonte de alimentação linear ligada à rede elétrica. Foi necessário realizar uma pequena adaptação para viabilizar o uso da mesma plataforma do Dispositivo Medidor para o contador de pessoas. Os detalhes podem ser observados na Figura 9.

Figura 9: Detalhes do Contador de Pessoas

O contador de pessoas foi desenvolvido a partir do sensor PIR HC-SR501 (Figura 10) que contém um sensor piroelétrico, que detecta níveis de radiação infravermelha. Ele possui dois sensores de captação de infravermelho, e dessa forma consegue capturar a passagem de uma pessoa de acordo com a diferença dos valores obtidos. Para ampliar a região de alcance, utiliza-se uma lente de Fresnel, aumentando o ângulo de atuação para até 100°.

Figura 10: Sensor PIR HC-SR501

Prospecção de soluções alternativas para medir o fluxo de água

No sistema para determinar o perfil de consumo de água, há situações em que não é possível medir diretamente o fluxo da água. Como exemplo, descargas de vasos sanitários sem caixa acoplada externa (descargas com válvulas Hydra) não permitem um acesso ao escoamento de forma não invasiva. Neste caso, o monitoramento de consumo de água pode ser feito pelo tempo de acionamento da descarga e um volume médio de água associado a essa descarga em particular.. Naturalmente, trata-se de uma estimativa em que dados de calibração preliminarmente medidos ou obtidos no catálogo do fabricante da válvula de descarga, ou torneira de acionamento momentâneo, são analisados em conjunto com dados de pressão na linha (coluna de água) e tempo de acionamento. O tempo de acionamento deverá ser determinado com auxílio de um sensor do tipo chave liga/desliga adaptado ao botão de acionamento da válvula, ou através de uma chave de fluxo.

A informação do tempo de abertura da válvula deverá ser transmitida sem fio, preferencialmente por sinal de rádio, para um centralizador que disponibilizará a conexão com a rede local de comunicação ou a publicação em ambiente de nuvem. O transmissor de rádio deverá ser compacto e com baixo consumo de energia para possibilitar a alimentação com bateria de longa duração. Pode-se observar a instalação de um sensor de acionamento de descarga na Figura 11.

Figura 11: Instalação do módulo transmissor e chave sensora no interior do “espelho” da válvula

Gateway

O principal papel do gateway é coordenar a rede de Dispositivos Medidores e o Contador de Pessoas, receber os dados desses dispositivos e enviá-los de forma periódica e organizada para uma nuvem gratuita repositória de arquivos. O período especificado para esse projeto foi de 15 min. O gateway também deverá periodicamente atualizar e sincronizar o seu relógio (RTC), que será a referência de tempo do sistema. Neste projeto foi utilizado um computador industrial de baixo custo baixo consumo de energia, sem ventiladores e que opera sem monitor acoplado. Pode-se observar o equipamento na Figura 12.

Os dados são enviados pelos dispositivos e pelo contador de pessoas na medida em que ocorrem os eventos. Cabe ao gateway associar uma data e hora ao evento de forma que esses eventos possam ser correlacionados no tempo quando forem analisados.

Os pacotes de dados recebidos de cada medidor são tratados e organizados de forma a manterem apenas as informações coletadas, retirando do pacote eventuais informações adicionais, como por exemplo, as informações eventualmente necessárias apenas para a comunicação em rede. Esses pacotes são convertidos em arquivos que recebem um nome que identifique o local de origem desses dados e a data da coleta.

Figura 12: Vista do Gateway

Armazenamento dos dados em nuvem gratuita

A nuvem gratuita é o local onde são armazenados os dados coletados pelo sistema. Dentre as nuvens gratuitas disponíveis no momento, utilizamos a nuvem pCloud, no endereço https://www.pcloud.com/pt/, que oferece até 10 Gigabytes de armazenamento e o uso para fins de pesquisa é gratuito. São oferecidas diversas ferramentas para acesso e controle remoto da área reservada na nuvem. Todos os dados gerados pelo sistema de medição são armazenados em tempo real nesse espaço.

Foi criada uma estrutura de pastas para cada instalação de forma a facilitar a sua identificação e a localização dos arquivos e dispositivos correspondentes. Na Figura 13  pode-se observar essa estrutura montada como exemplo para a fase de prova de conceito que foi realizada no projeto. Cada equipamento tem a sua pasta onde são guardados todos os arquivos gerados pelos medidores do equipamento.

Figura 13: Vista das pastas criadas no pCloud para esse projeto

 

SISTEMA DE MEDIÇÃO APLICATIVO

Armazenamento e processamento na AWS

Os dados coletados e enviados à nuvem pelo sistema físico de medição precisam ser corrigidos e analisados para gerar os perfis de consumo do local monitorado. Foi desenvolvido um aplicativo tipo dashboard com este proposito especifico, e que qualquer um em qualquer lugar e a qualquer tempo possa acessar os resultados do aplicativo. De forma resumida pode-se observar na Figura 14 o esquema do processo da operacionalização dos dados na nuvem relacionando o uso de cada tecnologia utilizada nesse projeto. Em 1 o desenvolvedor cria toda a operacionalização e análise de dado na nuvem e faz ajustes quando necessário. Em 2 o sistema na nuvem conecta-se ao pCloud e baixa e atualiza os dados no computador na nuvem.  Em 3 o usuário solicita o acesso ao aplicativo quando acessa o endereço via web e recebe as informações e análises.

Figura 14: Panorama do sistema de aplicativos na nuvem

RESUMO

 

Este artigo apresentou em linhas gerais o projeto realizado, discorreu sobre as suas partes principais descrevendo e detalhando um pouco de cada uma para que se possa ter uma visão panorâmica do trabalho realizado. Alguns tópicos serão abordados com mais detalhes nos próximos artigos da série.

SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA

Outros artigos da série

• Descrição da solução (este artigo);
• Dispositivos Medidores Eletrônicos versáteis;
• Contador de pessoas utilizando PIR;
• Soluções alternativas para medir fluxo de água;
• Desenvolvimento de solução no Amazon AWS;
• Estudo de Caso (em breve).

 

Agradecimentos

Agradeço aos membros da equipe de projetos que desenvolveu esse trabalho, Olga Satomi Yoshida, Nilson Massami Taira, Ramon Vals Martin. Leonardo Fonseca Larrubia, e Ícaro Gonçales pela coautoria na elaboração deste artigo técnico. Também agradeço ao Eduardo Luiz Machado pela colaboração e cessão do espaço para a instalação do Estudo de Caso, e a Vinicius Kabakian e Paulo Eloy da  Vika Controls pelo apoio técnico e material na forma de consultoria técnica e cessão consignada de medidores de vazão, módulos XBee e materiais diversos que ajudaram a viabilizar o Estudo de Caso.

 

Esta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE PERFIS DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição da Solução“, de  Olga Satomi Yoshida, Nilson Massami Taira, Ramon Vals Martin. Leonardo Fonseca Larrubia, Henrique Frank Werner Puhlmann e Ícaro Gonçales está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.