YbysyS - Sistema de monitoramento de riscos ambientais

Participantes:

Jean Carlos Scheunemann

Marlon Soares Sigales

Mariano Berwanger Wille

Resumo do projeto:

Este projeto visa um sistema de monitoramento de riscos ambientais, onde de posse de dados atmosféricos e espaciais se possa estimar e alertar situações de riscos relacionadas à alagamentos e desmoronamentos.

Descrição do projeto:

Apresentação

O nome YbysyS origina-se da junção de duas palavras, yby e sys, yby que no tupi-guarani significa terra e este radical se derivam inúmeras palavras relacionadas ao solo e relevo, e sys sendo a abreviação de system, dando a ideia deste projeto envolvendo sistema, monitoramento e ambiente.

O YbysyS – Sistema de monitoramento de riscos ambientais foi pensado devido à falta de sistemas em rede que alertem atividades climatológicas regionais em tempo para que pessoas possam evacuar sem grandes perdas humanas e materiais.

O sistema visa, em posse de dados ambientais, se possa estimar e alertar situações de riscos relacionadas à alagamentos e desmoronamentos. Exemplos de dados que se podem utilizar para prever as catástrofes são umidade do solo, umidade relativa do ar, nível de água, nível pluviométrico, temperatura, estimação de movimentação, localização espacial, entre outros.

Em ambientes urbanizados é comum o crescimento de zonas que impermeabilizam os solos sem fazer a correta canalização e drenagem o que ocasiona alagamentos. Mesmo em zonas rurais, chuvas acima da média fazem com que córregos subam seu nível em velocidades que o solo não pode drenar resultando na mesma catástrofe.

Além de alagamentos, outro problema frequente são os desmoronamentos, que ocorrem devido ao desmate em encostas e margens que perdem a firmeza das camadas superiores do solo.

Este sistema encaixa-se nas propostas atuais para conectividade de cidades inteligentes, com análises e estimativas em tempo real para catástrofes, também nas propostas de agricultura de precisão, estimando quando o nível de um córrego pode dar perda na produção. Futuramente com modelagens em redes neurais estimando os modelos dos fenômenos locais poderá implementar-se, após treinamentos, tomadas de decisões automáticas.

E qual o potencial mercadológico?

Propostas parecidas existem, porém sem informações de custos de produção, utilizando tecnologias
que não são locais como a desenvolvida pelo IMPE*, ou com abrangência limitada de aplicações como a apresentada em Researchgate*. Propõe-se implementar utilizando hardware mínimo, custo baixo e conectividade, para que se possa ampliar as coletas de dados e análises locais e se enriqueça os data-sets com estas informações, além de atuar com estes dados de maneiras eficientes.

Devido a versatilidade da proposta, ela pode ser aplicada em diferentes áreas, destacando-se como principais o monitoramento de baixo custo para municípios na defesa civil e ferramenta de apoio e monitoramento para agricultura de precisão em culturas irrigadas.

Monitoramento de inundações e deslizamentos

Catástrofes naturais apresentam um grande desafio para a humanidade devido ao seu grande poder destrutivo, tais como enxurradas, enchentes, alagamentos, desmoronamentos, entre outros, algumas medidas podem ser tomadas de maneira a mitigar os seus efeito, tais como sistemas de monitoramento e alertas de riscos, geralmente operados por órgãos governamentais, tais como a Defesa Civil.

Eventos como as enchentes e deslizamentos de terra que ocorreram no estado do Rio de Janeiro em 2011, demostram que politicas públicas deficientes e sistemas de monitoramento precários ajudaram a agravar o quadro da catástrofe, como citados na reportagem do jornal estadão* presente nas referências.

Tais sistemas apresentam altos custos de implementação, como exemplo o sistema de previsão de enchentes* que o governo de São Paulo, que custou cerca de 2 milhões de reais para a implantação de 200 postos de coleta de dados. Tornando inviável a sua implementação em alguns casos devido aos insuficientes investimentos para a área.

Tal custo de implantação, apresenta um grande potencial para a inovação e consequentemente um grande mercado a ser explorado.

Aplicação em agricultura de precisão

A agricultura de precisão baseia-se no uso extensivo de medidas ambientais implementadas através de sensores eletrônicos que traduzem as informações e transmitem para tratamento em ferramentas computacionais. Em posse destas variáveis ações para o aumento da produtividade podem ser realizadas, inclusive automaticamente*.

A agricultura trabalha com insumos, solos, água entre outros fatores que influenciam na produção.

A má utilização das águas pode por exemplo contaminar o lençol freático* pelo uso de defensivos agrícolas. Culturas específicas demandam de mais ou menos água, sendo geralmente essas medidas negligenciadas, por estes motivos medição de umidade do solo é uma das grandezas necessárias na agricultura de precisão. Com objetivo suprir a necessidade de água da cultura utilizando irrigação artificial analisando o quanto de água já está a disposição evitamos estes problemas, bem como a compactação do solo*.

Este projeto, além de proporcionar análises de riscos, pode ser utilizado na agricultura para criar redes de sensoriamento e analises de modelos ambientais baseados em dados coletados. Além de cumprir com sua proposta de estimativa de catástrofes, que no meio rural pode ser de grande ajuda para programar uma colheita inesperada e não ter perda total em algumas culturas.

Links externos

Github do projeto: https://github.com/YbysyS
Instructables principal: https://www.instructables.com/id/Sistema-De-Monitoramento-De-Riscos-Ambientais

Histórico do desenvolvimento:

15/07/2018 -> Reunião da equipe para desenvolvimento da proposta.

21/07/2018 -> Encaminhamento da proposta.

24/08/2018 -> Recebimento do kit Quectel com módulo BG96.

25/08/2018 -> Testes básicos de operação do kit, para certificação de funcionamento.

26/08/2018 à 31/08/2018 -> Estudo do hardware e contato com fabricantes e pessoal do concurso para conseguir a documentação completa da placa, para assim acessar periféricos e demais utilidades sem os comandos AT.

31/08/2018 à 08/09/2018 -> Planejamento dos sensores e hardwares externos utilizados; estudos das comunicações; continuação dos estudos da utilização do processador com OpenCPU.

08/09/2018 à 16/09/2018 -> Utilização do processador com OpenCPU com êxito; estabeleceu-se os protocolos internos para comunicação entre o módulo e a interface dos sensores; Desenvolveu-se a comunicação entre o módulo e o sensor de aceleração; Implementada comunicação UART do módulo; iniciou-se a comunicação entre módulo e web; Iniciou-se desenvolvimento da interface micro-controlada que vai comunicar os dados dos sensores de umidade do ar, umidade do solo, giroscópio, ultrassom i.e com o módulo BG96; Prototipou-se o sensor de umidade do solo, baseado na variação de permissividade do solo úmido.

19/09/2018 -> Discussão sobre marketing, apresentação e marca; Repensou-se o nome e criou-se a logomarca.

20/09/2018 à 06/10/2018 -> Modelagem do sensor para umidade dos solos;

24/09/2018 à 02/10/2018 -> Aquisição da parte física para estrutura; Definiu-se o protocolo de comunicação BG96 x ATmega328P; Montou-se a estrutura, furação da caixa para os sensores; terminou-se a comunicação entre os sensores e o ATmega328P; Definiu-se a forma de alimentação.

02/10/2018 à 20/10/2018 -> Terminou-se o servidor da Amazon; Instanciou-se a maquina virtual; Configurou-se o servidor MQTT; Testou-se a comunicação I2C com sensor MPU6050 sem êxito por incompatibilidade de tensões.

04/10/2018 à 10/10/2018 -> Tentativa de migração do projeto para o Linaro, devido ao término da licença ARM.

10/10/2018 -> Obtenção de nova licença ARM.

20/10/2018 à 28/10/2018 -> Integração das etapas do projeto pela equipe.

Hardware:

Visão geral

O hardware utilizado para processamento, leitura dos sensores e comunicação será o kit de desenvolvimento da Quectel utilizando o módulo BG96, comunicando por GPRS sob protocolo MQTT para envio e recebimento dos dados.

Para medir as variáveis ambientais, se utilizará o giroscópio GY-521* para movimentações espaciais de rápida verificação, o sensor DHT22* para medir temperatura e umidade relativa, o sensor BMP180* para medir pressão atmosférica, o sensor ultrassônico HC-SR04* para medir a distância até o chão, além de utilizar localização espacial por meio do próprio kit de desenvolvimento e será desenvolvido um sensor capacitivo para medir umidade do solo.

Um hardware externo para coletar as informações dos sensores e comunicar UART será desenvolvido utilizando um microcontrolador externo, assim deixando o core livre para processar as informações, comunicar e gerar os alertas e demais requisições que forem necessárias.

O diagrama em blocos a seguir demonstra a organização geral da solução.

Características dos sensores

Sensores capacitivos de umidade do solo, baseiam-se na variação de capacitância do solo em função da permissividade da água ser elevada* em comparação com a dos outros materiais presentes na composição dos solos. Inúmeros métodos para análise deste parâmetro existem, uns mais precisos que outros, sensores como o SKU:SEN0193* e outros de baixo custo baseiam-se na variação de frequência de um circuito em que o solo faz parte da malha de realimentação de um oscilador, assim quando a umidade relativa varia implica numa variação da permissividade e por consequência na frequência. Na presente solução se utilizou um oscilador com schmitt trigger para analisar tal variação, lendo por um módulo de captura esta frequência.

O sensor DHT22* mede temperaturas de -40ºC à 80ºC com precisão de +/-0.5ºC, e umidade relativa do ar de 0 à 100% com precisão de +/-2%, comunicando por one wire e protocolo próprio.

O sensor ultrassônico HC-SR04* mede distâncias de 2cm a 4m com precisão de +/-3mm, devendo ser controlado externamente, enviando pulsos a 40kHz e verificando tempo de trânsito se pode medir a distância do sensor à algum objeto, a leitura é feita por um módulo de captura, com contagem de tempo.

O sensor giroscópio GY-521* possui saída de 16 bits proveniente da leitura de um ADC interno, mede Ângulos triaxialmente com sensibilidade maior que 131LSBs/dps, com amplitudes programadas de +/-250, +/-500, +/-1000 ou 2000dps, mede também acelerações com amplitudes programadas de +/-2g, +/-4g, +/-8g ou +/-16g, comunicando por I2C.

O sensor de pressão BMP180* mede pressão de 300hPa à 1100hPa com resolução de 0.03hPa, ou de -500m à 9km com resolução de 0.25m, além de medir temperaturas de -40 à 85ºC com precisão de +/-2ºC, comunicando por I2C.

Interface para os sensores

O microcontrolador ATmega328 está sendo utilizado para ler os sensores que não possuem saída digital e comunicar via UART com o módulo BG96 para que estes dados sejam utilizados.

Periodicamente o módulo principal solicita os dados dos sensores, que serão pré-analisados e então enviados para um banco de dados, para então ser utilizados na previsões de catástrofes e estudos outros efeitos atmosféricos locais, além destes dados servirem como dados complementares meteorológicos.

Variáveis como temperatura, pressão atmosférica, umidade do ar, umidade do solo, giroscópios e acelerômetros, GPS, umidade do solo, e distância até o solo serão analisadas.

O sensor de GPS é um dado que será lido de um sensor do próprio módulo. Aliado com o sensoriamento do acelerômetro e do giroscópio, será utilizado para dados sísmicos, deslocamentos e desmoronamentos.

O sensor de umidade do solo, aliado com o de distância faz leituras para inferir possíveis alagamentos.

Variáveis de temperatura, pressão atmosférica e umidade do ar, são leituras para armazenar junto com as outras medidas para que se possa analisar futuramente e utilizar no reconhecimento dos padrões atmosféricos locais.

Principais funções da interface:

Coletar periodicamente e salvar os dados dos sensores de variáveis lentas;
Coletar os dados das variáveis sísmicas e comparar com a janela anterior, criar nova janela média para comparar;
Emitir sinais de alerta em caso de variações bruscas nos sensores das variáveis sísmicas ou de distância e umidade do solo;
Formatar os dados dentro do protocolo estabelecido;

Por que adicionar outro microcontrolador?

A utilização de outro microcontrolador se faz necessária, durante a etapa de desenvolvimento do protótipo para reduzir o tempo de desenvolvimeto, devido ao fato de alguns sensores utilizados não possuirem interface de comunicação digital, tais como o sensor de umidade do solo que possui a sua saída em FM e o sensor DHT 22 que possui um protocolo próprio de comunicação.

Desta forma o módulo pode ficar focado em tratar as informações recebidas dos sensores, gerar os alarmes, armazenar e transmitir os dados, comunicar com sensores e atender demais requisições necessárias.

A comunicação UART foi selecionada para a comunicação entre o módulo e o microcontrolador pois se dá da forma full-duplex, permitindo assim, uma maior taxa de transferência e permitindo que a interface I²C fique dedicada para a comunicação dos demais sensores.

Sensor de umidade para solos

Devido problemas com importação, um sensor de umidade para solos capacitivo foi desenvolvido pela equipe. As curvas de medição de umidade do solo pela frequência extraída do sensor, para diversos solos, estão presentes à seguir, bem como a aparência final do sensor.

A seguir uma série de imagens durante a validação pelo método gravimétrico:

secagem dos solos

inicio dos testes e da validação por gravimetria

teste de umidade

solos pós coleta de umidade

Aspecto final dos sensores

Baterias

Para alimentação usamos baterias de Íon-Lítio em série, para alimentação do módulo, da interface e dos sensores, contando com os reguladores internos. Essas baterias foram selecionadas para uma futura instalação com painéis solares para carregamento autônomo das baterias, além de uma grande densidade de cargas e sem necessidades de manutenção.

Estrutura

Para disposição do produto final, e subsistência da peça sob as condições ambientais projetadas, uma estrutura de PVC composta de um cano de 2 metros e uma caixa de disjuntores para 6 peças, adaptada para suportar as placas e os sensores dispostos em seu interior foram utilizadas.

Software/Firmware:

Interface para sensores

A leitura e a comunicação dos sensores com o módulo BG96 foi implementada utilizando um protocolo de comunicação semelhante ao Modbus, estabelecendo um sistema de aquisição e resposta conforme mostrado na figura abaixo:

Para demonstrar a leitura dos sensores, a imagem a seguir mostra as informações trocadas entre as plataformas de uma forma inteligível para nós humanos.

Interagindo com os sensores

A comunicação com os sensores é ancorada no microcontrolador ATMEGA328p executando diferentes protocolos para cada sensor:

A medição de temperatura e umidade do ar é feita pelo sensor DHT11 pela interface OWI (One Wire Interface)
A umidade do solo é medida através da verificação de variação de frequência em hardware
A distância até a base é feita através do tempo em alta, também implementado em hardware

A rotina de funcionamento do ATMEGA328P é descrita no fluxograma abaixo:

Os dados lidos pelo microcontrolador são requisitados pelo módulo principal (BG96), onde realiza-se uma verificação do risco baseado no sensor de úmidade, caso os valores estejam abaixo do nível crítico, estes valores são apenas armazenados para ser enviados posteriormente.

Abaixo, apresenta-se o fluxograma de funcionamento do sistema:

Os códigos desenvolvidos estão disponibilizados no seguinte repositório.

OBS: Devido a questões legais, os códigos do módulo BG96 não poderão ser disponibilizados no repositório.

Referências:

[1] Elton Alisson | Agência FAPESP. Inpe desenvolve metodologia para mapear risco de deslizamento de terra. http://agencia.fapesp.br/inpe-desenvolve-metodologia-para-mapear-risco-de-deslizamento-de-terra/20888/, 2015. [online; Acesso em 18 de julho de 2018].

[2] Yuri Marinho Olivatti, Kurt André, and Rodrigo Maia. Aplicação de sensores e modelo geomorfológico para monitoração de Áreas de riscos de acidentes naturais. 12 2016.

[3] Estadão. Governo brasileiro admite à onu despreparo em tragédias. https://brasil.estadao.com.br/noticias/geral,governo-brasileiro-admite-a-onu-despreparo-em-tragedias,666689, 2011. [online; Acesso em 21 de julho de 2018].

[4] Exame. Sp tem novo sistema de monitoramento de enchentes. https://exame.abril.com.br/mundo/sp-tem-novo-sistema-monitoramento-enchentes-604040/, 2010. [online; Acesso em 21 de julho de 2018].

[5] Alberto Carlos de Campos Bernardi. Agricultura de precisão: resultados de um novo olhar. DF : Embrapa, 2a edição edition, 2014. ISBN 978-85-7035-352-8.

[6] CETESB. Poluição das águas subterrâneas. http://aguassubterraneas.cetesb.sp.gov.br/poluicao-das-aguas-subterraneas/, 2013. [online; Acesso em 12 de junho de 2017].

[7] ABNT. Nbr 10703. http://www.ufrgs.br/sga/legislacao-ambiental-dowloads-para-links/NBR%2010703%201989%20Degradacao%20do%20Solo.pdf,1989. [online; Acesso em 10 de julho de 2018].

[8] Waldir Aparecido Marouelli, Vinicius Mello Teixeira de Freitas, and Antonio Dantas Costa JUnior. Guia prático para o uso de irrigas na produção de hortaliças. http://estaticog1.globo.com/2017/05/19/guia_pratico_para_o_uso_de_irrigas_na_producao_de_hortalicas.pdf, 2010. [online; Acesso em 20 de junho de 2017].

[9] Serviço Geológico do Brasil – CPRM. Mapa de riscos geológicos e alagamentos. https://sisgeo.cprm.gov.br/geoengenharia/, 2018. [online; Acesso em 12 de junho de 2018].

[10] IMPE. Topodata – mapa indice. http://www.webmapit.com.br/inpe/topodata/, 2018. [online; Acesso
em 12 de junho de 2018].

[11] Scussiato, Eduardo; Medidor de fração de água para escoamento bifásico (água e óleo) utilizando técnicas de micro-ondas em cavidades ressonantes – Cap.3 Propriedades Dielétricas dos Materiais – página 33 a 46, dissertação (Mestrado em Engenharia de Automação e Sistemas) – UFSC. Santa Catarina, p. 129. 2010.

[12] DFRobots – SKU:SEN0193 -capacitive soil moisture sensor. https://www.dfrobot.com/wiki/index.php/Capacitive_Soil_Moisture_Sensor_SKU:SEN0193

[13] DHT22 – https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temperature/DHT22.pdf

[14] BMP180 – https://www.marutsu.co.jp/contents/shop/marutsu/ds/1603_Web.pdf

[15] GY-521 – http://www.haoyuelectronics.com/Attachment/GY-521/mpu6050.pdf

[16] HC-SR04 – https://www.mouser.com/ds/2/813/HCSR04-1022824.pdf