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Resumo
O intuito deste trabalho é o monitoramento remoto de instalações e maquinários necessários para o funcionamento de uma instalação predial de médio a grande porte. Deste modo, o projeto irá desenvolver um circuito, consistindo de um software comandando um hardware, para auxiliar a supervisão humana. O software escolhido foi o ADAFRUIT e os hardwares escolhidos foram ESP32 e ESP8266. A ideia principal é este circuito para supervisionar de forma remota um sistema predial, através de um equipamento eletrônico, como por exemplo, um smartphone. Neste projeto, será utilizado um molde predial genérico como base, em que será feito o seu monitoramento, através dos sistemas existentes nele. Palavras-chave: Monitoramento, Instalações Prediais, Manutenção, Software,Hardware.
Abstract
The purpose of this work is the remote monitoring of facilities and machinery necessary for the operation of a medium to large building installation. In this way, the project will develop a circuit, consisting of a software commanding a hardware, to assist human supervision. The software chosen was ADAFRUIT and the hardwares were ESP32 and ESP8266. The main idea is to use this circuit to remotely supervise a building system, through electronic equipment, such as a smartphone. In this project, a generic building mold will be used as a basis, on which its monitoring will be carried out, through the existing systems in it. Keywords: Monitoring, ADAFRUIT, Software,System,Hardware.
Introdução
O termo “Indústria 4.0” originado da Alemanha, em 2011, onde se tornou publicamente conhecida nesse mesmo ano pela iniciativa “Industrie 4.0” (ACATECH, 2013), reunindo vários empresários, políticos e acadêmicos de universidades com o objetivo de expor sugerir medidas com o intuito de estimular a concorrência da produção alemã através de uma conversão digital (KAGERMANN, 2013).
A tecnologia digital promete e já está revolucionando a produção industrial. A indústria 4.0 digitaliza e integra processos em toda a organização. Todos os dados de processos de operações, eficiência dos processos e gestão da qualidade, bem como o planejamento de operações, estão disponíveis em tempo real, otimizados em uma rede integrada. As atividades de gerar, analisar e comunicar dados sustentam os ganhos prometidos pela indústria 4.0, que engloba diversas novas tecnologias para criar valor (PWC, 2016).
A Quarta Revolução Industrial pode ser considerada algo totalmente diferente de tudo o que a humanidade já experimentou. Novas tecnologias estão fundindo os mundos físico, digital e biológico de forma a criar grandes promessas e possíveis perigos à humanidade. A rapidez, a intensidade e o radicalismo das mudanças desta revolução estão obrigando a sociedade a refletir a maneira como os países se desenvolvem, como as organizações criam valor e em que posição fica o ser humano em relação a esta brusca mudança. A ideia de um mundo mais inteligente, onde sistemas com sensores e processamento local são conectados para compartilhar informações estão se apoderando da indústria. Esse sistema pode ser conectado em escala global com os usuários e/ou somente entre eles, em uma rede fechada de internet, para ajudar a tomar decisões mais rápidas. A maioria da informática presente no dia a dia das pessoas é conhecida como Internet das coisas (IoT). O IoT inclui tudo, desde casas inteligentes, dispositivos de fitness móveis e brinquedos conectados à Internet Industrial das Coisas (IoT) com agricultura inteligente, cidades inteligentes, fábricas inteligentes e a rede inteligente (Schwab et al., 2016).
Um dos impactos da digitalização é o aumento da eficiência ou da produtividade do processo de produção. Ao monitorar todo o processo, a empresa consegue alocar eficientemente suas máquinas, identificar problemas rapidamente e reduzir gargalos, otimizar processos, reduzir defeitos nos produtos e até mesmo prevenir problemas antes de construir a planta ou protótipo. Consegue, também, aumentar a eficiência no uso de recursos, como energia elétrica, o que contribui para a redução de custos. O uso de sensores nas máquinas e nas partes e peças do produto permite a flexibilização da linha de produção e reduz a necessidade de escalas elevadas de produção para se conseguir um custo médio competitivo. Essa tecnologia permite maior customização da produção e, consequentemente, amplia o mercado a ser atendido pela empresa (CNI, 2016).
Motivação
Reconhece-se que um prédio de grande porte requer da melhor infraestrutura possível, independente do setor. Por exemplo, no fornecimento de água para uma caixa d'água superior, alocado na cobertura do prédio, é visto uma necessidade de modernização. Por conhecer os problemas existentes nos locais que trabalhamos em nossas experiências profissionais, vemos que na maior parte dos locais a forma de supervisão é feita de forma arcaica, ou seja, uma pessoa é deslocada para visualização de possíveis impasses que poderiam acontecer no sistema de abastecimento.
Visto isso as possibilidades de modernização do sistema de abastecimento de água do prédio trariam benefícios para a equipe de manutenção e para operação desse sistema, pode-se ressaltar outros benefícios, como economia de água e de energia elétrica.
Descrição do protótipo
Apresentamos um sistema que pode monitorar e controlar vários dispositivos dentro do modelo predial, usando IoT. Este sistema propõe melhorá-los controlando-os automaticamente e remotamente. O sistema funciona em três fases. Na primeira fase, o sistema monitora a temperatura com a finalidade de identificar o superaquecimento do motor, nível de água das caixas 01 e 02 mostradas na Figura 1, e auxílio no monitoramento humano utilizando o aplicativo móvel. Na segunda fase, o sistema controla automaticamente a bomba do motor e de água desligando-o quando atinge o máximo volume. Na terceira fase, o usuário pode controlar a iluminação predial, controlar o desligamento da bomba para possíveis manutenções e possíveis fechamentos do sistema de consumo.
Os dados são captados através de um software Mobile programado para fazer a leitura dos sinais. O sistema do ESP32 é um microcontrolador que contém uma diversidade de recursos atrelado ao IoT. É uma variante atualizada do ESP8266 com uma enorme quantidade de periféricos que permite a integração com diversos dispositivos. Dentre as interfaces de comunicação, foi utilizado WiFi 2.4 GHz, que já é integrado ao sistema. O software irá se conectar com o ESP32 em rede de internet fechada via protocolo de comunicação MQTT, sendo possível controlar os equipamentos que estão no sistema, por exemplo o software ADAFRUIT MOBILE como é demonstrado na Figura 2 (DILL, 2012).
Os dados são captados através de um software Mobile programado para fazer a leitura dos sinais. O sistema do ESP32 é um microcontrolador que contém uma diversidade de recursos atrelado ao IoT. É uma variante atualizada do ESP8266 com uma enorme quantidade de periféricos que permite a integração com diversos dispositivos. Dentre as interfaces de comunicação, foi utilizado WiFi 2.4 GHz, que já é integrado ao sistema. O software irá se conectar com o ESP32 em rede de internet fechada via protocolo de comunicação MQTT, sendo possível controlar os equipamentos que estão no sistema, por exemplo o software ADAFRUIT MOBILE como é demonstrado na Figura 2 (DILL, 2012).
Criando assim um tipo de kit que possa ser implementado para essa automação a um custo justo e após implantação facilitar os processos de manutenção.
No dashboard é possível selecionar o modo “automático” ou “manual”, onde no automático como é mostrado na Figura 3, no processo é utilizado três chaves de níveis.
As caixas d’água 01 e 02 se referem aos reservatórios de água superiores do prédio, sendo o nível da caixa 01 atrelada ao acionamento da bomba, quando menor que 100% aciona a bomba para enchê-la novamente, mas esse processo só será concretizado se a caixa inferior estiver acima de 20%, caso ela esteja vazia, o processo não é concretizado, para manter a integridade da bomba d'água.
A solenoide de equalização presente no ático do prédio é acionada assim que o sistema automático se inicia, ela comunica a caixa 01 com a caixa 02 a fim encher a caixa 02 seguindo o princípio dos líquidos comunicantes, quando o processo é finalizado ou alterado para o modo manual, ele para de ler o processo e desliga o sistema. O sistema ESP32 quando não tem valor inserido, ele sofre uma alteração, para que esse problema fosse solucionado, utilizamos relés. Quando os relés estão desatracados, ele manda um sinal negativo que está ligado às chaves de níveis, já que estamos utilizando a lógica invertida,ou seja, quando a caixa for preenchida, o circuito será energizado e o sinal negativo enviado ao ESP32 ele entenderá que a caixa está cheia (KAMOGAWA, 2013).
Na Figura 4, é possível ver o projeto utilizando um software de plotagem (Fritzing).
Na figura 5, temos o protótipo real construindo utilizando ESP8266 e ESP32, conectados ao Protoboard, Placa de relés de estados sólidos com 8 canais, que posteriormente é conectado à bomba d'água a fim de fazer o preenchimento das caixas.
Durante a montagem do protótipo foram identificadas algumas defasagens na alimentação do sistema, para isso, tivemos de fazer algumas alterações. Para sanar o problema de alimentação, fizemos uma alimentação externa para a alimentação dos periféricos como o relé de estado sólido e relés de referência.
2 - Programação
O programa está sendo desenvolvido para funcionar com o micro controlador ESP32, utilizando a linguagem de programação C++.
Para que o programa funcione de forma manual e automática será necessário criar duas lógicas de programação (figura 4 e 5), sendo imprescindível utilizar dois micros controladores com o sistema mestre-escravo, a versão ESP32 funciona como leitura e controle direto de variáveis para o servidor, enquanto a versão ESP8622 faz o processo acontecer automaticamente, simulando as partidas de comando elétrico que acontecem em um prédio como em exemplo uma bomba de enchimento das caixas d’água.
A seguir, temos o fluxograma de funcionamento da programação da Figura 6:
3 - Resultados obtidos
Ao finalizar o projeto, o sistema construído foi utilizado os microcontroladores embarcado (ESP32) e (ESP8266),que por sua vez ,tem baixo custo, simples para operar e é facilmente integrado com diversos sistemas, a fim de exemplificar o processo de automação, realizamos o monitoramento do sistema de alimentação hidráulico e controle de iluminação de um prédio.
Durante a montagem foram realizados diversos testes e viabilizamos que a opção é a utilização de 02 microcontroladores, sendo 1º para rodar o processo automático de acionamento da bomba, indeferindo de acesso à internet e evitando possíveis falhas de alimentação de água no prédio. O 2° microcontrolador realiza o processo de monitoramento de níveis de água das caixas, temperatura do mancal da bomba, estado das solenoides e bombas. Solenoides essas, que foram inseridas no projeto para simulação de consumo.
O sistema todo é alimentado por fontes de 5v, para mantermos a lógica no sistema automático necessitando da utilização de relès para as portas de inputs não ficarem com valores em flutuação, o relès somente se apresentaram atracados e de forma segura ao serem alimentados com 5v, de uma fonte externa pois quando os mesmos foram alimentados pelos 5v do ESP32, não foi suportada.
Abaixo, na figura 7, é apresentada uma tabela de precificação de nossa maquete que simula o sistema.
A conexão do ESP32 com supervisório Adafruit é feita via protocolo de comunicação MQTT, apresentando maior confiabilidade que o HTTP por ser uma comunicação fechada, a conexão com a internet utiliza o módulo de Wifi 2.4Ghz que permite obter até 20 M distância do sistema de monitoramento com o módulo de Wifi, o que nos permitiu ter maior liberdade durante a instalação.
O modo automático em execução no ESP8266, realiza as leituras para tomada de decisão com delay inferior a 1ms, já que possui processamento de 160 MHz. O modo manual em execução no ESP32, realiza o acionamento do sistema de iluminação e varia de acordo com a conexão com a internet, o protocolo MQTT em conjunto com Adafruit tem baixo consumo de internet, mas o tempo de acionamento depende do ping, portanto com uma ótima conexão com a internet o acionamento das lâmpadas e parte manual do sistema hidráulico seria instantâneo conforme testamos durante a montagem, mas por limitação de leitura de tags no Adafruit, ficamos limitados a um delay de 1,2s por tag e 5s na leitura de temperatura, que consequentemente interfere na escrita de informações que é a o acionamento dos equipamentos conectados, para removermos o delay de escrita, seria necessário a utilização de 03 microcontroladores, ficando eles divididos em o 1° para o modo automático, o 2° para leitura de informações do do monitoramento tendo o delay de 1,2s e o 3° para o acionamento dos equipamentos, sendo esse com delay de apenas 1 ms, se possuir uma conexão com internet com ping de 1ms.
Foi obtido o resultado esperado, conseguindo fazer o controle do sistema hidráulico de forma manual, leitura de temperatura do mancal do motor, identificar o que está ligado ou desligado e por fim, no modo manual, acionar todo sistema de iluminação e hidráulico de forma remota, sendo opcional modificações para melhoria no tempo de leitura para o processo manual, podendo até mesmo ser utilizado outro supervisório. Portanto, para uma aplicação real, onde não precisamos de um microcontrolador, por ele ser um sistema de potência que já existe em uma instalação, iríamos conseguir reduzir o delay utilizando apenas 2 microcontroladores, ficando 1 responsável pela leitura de informações e outro para o acionamento de equipamentos.
Referências bibliográficas
ACATECH. Recommendations for Implementing the Strategic Initiative Industrie 4.0: Final report of the Industrie 4.0 Working Group. Alemanha, p. 1-78, 2013.
ADAFRUIT. Sistema de Supervisão Móvel para Integração com Sistemas de Automação. Disponível em: <https://www.adafruit.com>. Acesso em: 25 ago 2022.
CNI. Indústria 4.0: Novo Desafio para a Indústria Brasileira. Brasil, n. 2, p. 2, 2016.
DILL, M. A. A.. Desenvolvimento de Sistema Web para Monitoramento Predial e Residencial em Tempo Real. UNIJUÍ, Brasil, p. 13-22, 2012.
PRASAD, R.; PRAVALIKA, V.. Internet of Things Based Home Monitoring and Device Control Using Esp32. International Journal of Recent Technology and Engineering, Índia, v. 8, p. 58-62, 2019.
LEITE, D. M.; MACIEL, K. A. M.; MENEZES, J. W. M. M.. Protótipo de Aplicação Doméstica para O Monitoramento de Sistemas de Distribuição de Água Baseado em Internet das Coisas. Brasil, p. 7, 2020. Disponível em: <https://www.researchgate.net/publication/345868108_Prototipo_de_aplicacao_dom estica_para_o_monitoramento_de_sistemas_de_distribuicao_de_agua_baseado_e m_internet_das_coisas>, Acesso em: 17 ago 2022.
KAGERMANN, H.; WAHLSTER, W.; HELBIG, J.. Recommendations for Implementing the Strategic Initiative Industrie 4.0. ACATECH, Alemanha, p. 13-78, 2013.
KAMOGAWA, M. Y; MIRANDA, J. C.. USO DE HARDWARE DE CÓDIGO FONTE ABERTO “ARDUINO” PARA ACIONAMENTO DE DISPOSITIVO SOLENÓIDE EM SISTEMAS DE ANÁLISES EM FLUXO. QUÍMICA NOVA, Brasil, v. 36, n. 8, p. 1232-1235, 2013.
PWC. Indústria 4.0: Digitalização Como Vantagem Competitiva no Brasil. Brasil, p. 8, 2016. Disponível em: <https://www.pwc.com.br/pt/publicacoes/servicos/assets/consultoria-negocios/2016/ pwc-industry-4-survey-16.pdf>. Acesso em: 30 mar 2022.
SCHWAB, Klaus. A Quarta Revolução Industrial. Edipro, Brasil, p. 30, 2016.
CURSO E ALUNOS:
Estudantes do 9° semestre do curso de Engenharia Elétrica do centro universitário FMU: Vitor Felipe Pedroso Florindo, Programador de manutenção atuante na área de manutenção industrial de termoelétrica. Yargo Ian G. Santos Ferreira, atua na área administrativa financeira bancária. André Furukawa, Engenheiro Civil e de segurança, perito Judicial inscrito no Tribunal de Justiça de São Paulo. Uérpido Reis de Jesus, autônomo dono da empresa “ O REIS DA ELÉTRICA “ atua com reformas e manutenção elétrica de baixa e média tensão. Vitor Lucas Kim, atua na área de manutenção predial com ênfase em gestão de manutenção. Samuel Ferreira Moreira, atua na manutenção de veículos ciclo diesel (mecânica e elétrica), planejamento e controle de manutenção de frota.
PROFESSORES E ORIENTAÇÃO:Antônio Tavares de França Junior é engenheiro eletricista formado pela UNIDERP desde 2004 com experiência em eficiência energética e NR12 , mestre pela UNESP campus Júlio de Mesquita Filho, com vivência de mais de dez anos em docência universitária nos cursos de Engenharia Elétrica, Engenharia de Produção, Engenharia de Controle e Automação, Engenharia Mecânica e na Pós-graduação da Engenharia de Segurança do Trabalho e em cursos técnicos profissionalizantes de Eletrotécnica, Automação e Segurança do Trabalho. Atualmente é professor orientador no curso de engenharia elétrica do Centro Universitário FMU.
