Por Ramon Vals Martin
INTRODUÇÃO
Este artigo é parte da série de artigos técnicos SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA. Neste artigo serão desenvolvidas diversas soluções alternativas para realizar a medição indireta do consumo de água em vasos sanitários ou outros pontos de entrega de água embutidos. Para melhor compreensão deste artigo leia antes o artigo técnico “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Descrição do Sistema”.
PROTÓTIPOS DE SENSORES ALTERNATIVOS
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 (descargas com válvulas Hydra) não permitem um acesso ao escoamento de forma não invasiva. Neste caso, o monitoramento de consumo pode ser feito pelo tempo de acionamento. 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.
PROTÓTIPO PULSADO I
Transmissor
O primeiro protótipo construído utilizava um módulo transmissor de rádio (modelo FS1000A – Módulos transmissor e Receptor de rádio [1]) operando em 433 MHz, modulado com pulsos de largura de 100 µs e taxa de repetição ajustável entre 20 Hz e 30 Hz. No acionamento da descarga, o dispositivo transmitia um burst de rf durante cada pulso. A duração do evento era feita pela contagem de pulsos recebida no receptor. A Figura 1 mostra o circuito utilizado. A Figura 2 mostra o aspecto dos protótipos montados.
Figura 1: Diagrama esquemático do módulo transmissor
Figura 2: Aspecto da montagem dos circuitos
A alimentação dos circuitos foi feita com pequenas baterias de 12 V utilizadas normalmente em controles remotos. A avaliação de consumo e o efeito de carga da bateria podem ser visualizados nos gráficos da Figura 3. Quando a descarga não é ativada, o consumo do circuito é zero. Os protótipos foram instalados no banheiro masculino no andar térreo do prédio 56 do IPT.
Figura 3: Acima, consumo de corrente durante a transmissão dos pulsos. Abaixo, desvio da frequência em função da tensão da bateria, que pode ser utilizada como uma indicação de carga para programação de troca.
Receptor
O módulo de recepção é composto por um receptor de rádio de 433 MHz e um circuito condicionador de sinal para fornecer pulsos em níveis TTL para os estágios posteriores. O diagrama esquemático do circuito deste módulo é mostrado na Figura 4. O consumo deste módulo é de 20 mA, utilizando uma fonte linear de 5 V. Fontes chaveadas geram muito ruído de RF. Os pulsos de saída TTL tem largura ajustada em 1 ms, e repetem-se enquanto a descarga é acionada. Na Figura 5 é possível observar o aspecto da montagem dos circuitos.
Figura 4: Diagrama esquemático do circuito do receptor.
Figura 5: Aspecto da montagem dos circuitos do módulo do receptor.
Modos de Operação
O sistema pode operar em dois modos de operação:
Frequência única
Os quatro transmissores são ajustados para a mesma taxa se repetição de pulsos. O receptor opera como totalizador, atribuindo um determinado volume para cada pulso recebido (Não identifica o vaso da descarga).
Frequências múltiplas
Os quatro transmissores são ajustados para quatro frequências diferentes (Ex.: 20 Hz, 23 Hz, 26 Hz, 29 Hz). Quando o primeiro pulso é recebido (placa Zigbee wake up) a totalização é feita em intervalos de tempo parciais (Ex.: A cada 0,5 s), enquanto a recepção de pulsos não cessar. Assim é possível identificar a origem de cada descarga, e atribuir coeficientes de calibração de vazão específicos para cada vaso.
Instalação
Os módulos transmissores foram instalados nos botões de acionamento das válvulas de descarga, conforme ilustrado na Figura 6 e na Figura 7. O módulo de recepção foi montado numa caixa de proteção, conforme a Figura 8. A sua instalação foi feita na parede, acima das pias, num ponto de distribuição de energia, como mostrado na Figura 9.
Figura 6: instalação do módulo transmissor no interior do “espelho” da válvula.
Figura 7: Aspecto final da instalação dos transmissores.
Figura 8: Montagem do módulo de recepção.
Figura 9: Módulo de recepção instalado na parede.
PROTÓTIPO II
Foram realizados diversos testes de funcionamento no sistema implementado, mas os resultados não foram satisfatórios, principalmente em relação à sua susceptibilidade aos ruídos eletromagnéticos ambientes. Numa nova tentativa, foi utilizado um controle remoto comercial de quatro canais, como mostrado na Figura 10. Os botões de acionamento do controle foram substituídos pelas chaves colocadas nas descargas.
Figura 10: Controle remoto de quatro canais, que foi modificado para transmitir informações sobre o acionamento de descargas.
PROTÓTIPO III
Novamente os resultados não foram satisfatórios, pois o sistema não permitia medir a duração do evento, apenas a sua ocorrência. Para sanar este problema, foi projetado um circuito baseado no Encoder PT2262 [2] (Figura 11) e no Decoder PT2272 [3] (Figura 12). Estes dois circuitos integrados são customizados para aplicações de controles remotos, e permitem a identificação de mais de 8000 endereços de transmissores. Foi montado o circuito mostrado no diagrama esquemático da Figura 13 e Figura 14, que envia um trem de pulsos codificados para o início do evento, e outro trem de pulsos codificados para o final do evento. O diagrama de estados é mostrado na Figura 15. A contagem do tempo entre estes dois códigos é feita no módulo receptor.
Figura 11: Encoder PT2262.
Figura 12: Decoder PT2272.
Figura 13: Diagrama de blocos do sistema de transmissão por rádio.
Figura 14: Diagrama esquemático do circuito do módulo transmissor.
Figura 15: Diagrama de temporização do sistema.
PROTÓTIPO IV
O protótipo anterior foi construído e instalado no banheiro do prédio 56 do IPT, e encontra-se em fase de testes. Até o momento os resultados foram positivos, com alcance suficiente e imunidade ao ruído. A monitoração do uso de uma descarga já está sendo feita em tempo real com acesso remoto ao tempo e duração do evento.
Para replicar este módulo em grande escala há alguns inconvenientes: A necessidade de modificar totalmente o controle remoto apenas para aproveitar o transmissor de rádio e o chip de codificação; A frequência deste transmissor não é permitida no Brasil (315 MHz) para esta aplicação; O chip de codificação é customizado, não permitindo alterações nos protocolos, e sua aquisição é mais difícil; Os processos de transmissão e recepção são lentos (alguns décimos de segundo); A contagem do tempo é feita no módulo receptor. Para evitar estas limitações, esta sendo desenvolvido um novo módulo transmissor, que utiliza componentes padronizados de baixo custo e consumo, que são facilmente adquiríveis (contadores, portas lógicas e shift registers de tecnologia cmos). Nesta nova configuração, a contagem do tempo é feita no próprio módulo transmissor. Este envia um código de 16 bits logo após o final do evento com a sua duração e a identificação da origem. Este código é configurável por hardware. Exemplo de configuração: 2 bits de sinalização, contador de tempo de 9 bits (tempo máximo de evento de 10 s com resolução de 20 ms), endereço de 5 bits (até 32 dispositivos). Não há necessidade de decodificador no receptor de rádio. A saída do receptor já fornece o código de 16 bits de forma serial.
O protótipo do módulo transmissor nesta nova configuração já está em fase de construção para testes de desempenho e comparação com as configurações dos protótipos anteriores.
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 (este artigo);
- Desenvolvimento de solução no Amazon AWS.
Referências
Esta obra, “SISTEMA PORTÁTIL DE MEDIÇÃO DE CONSUMO DE ÁGUA – Soluções alternativas para medir fluxo de água“, de Ramon Vals Martin está sob a licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.
Blog do Engenheiro Puhlmann 