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Estação Móvel para Medida da Qualidade do Ar

1. As c lulas fotovoltaicas sao constituidas por um material semicondutor geralmente silicio e por materiais dopantes O objectivo a cria o de campos el ctricos internos capazes de acelerar os pares electr o lacuna criados por incid ncia dos fot es solares de forma a criar uma corrente el ctrica isto a converter directamente pot ncia associada radia o solar em pot ncia el ctrica DC 3 9 1 1 Principio de funcionamento Para ocorrer uma corrente el ctrica necess rio que exista uma diferen a de potencial entre duas zonas da c lula ou seja um campo el ctrico 2 Para tal necess rio dopar o sil cio para assim alterar as suas propriedades el ctricas Este processo de dopagem consiste na introdu o de elementos estranhos ao sil cio criando assim duas camadas na c lula uma do tipo p e outra do tipo n Estas possuem respectivamente um excesso de cargas positivas e um excesso de cargas negativas relativamente ao sil cio puro Como elemento dopante do tipo p utilizado o Boro enquanto que no tipo n utilizado o F sforo Na regi o onde ocorre a jun o destas duas camadas designada jun o p n ao existir fot es com energia suficiente para excitar os electr es da banda de val ncia para a banda de condu o estes s o acelerados para um terminal negativo enquanto as lacunas s o enviadas para um terminal positivo criando um campo el ctrico Assim quando existir um circuito externo que ligue
2. 84 Figura 5 3 Esta o aberta com todos componentes ligados oooooonnncnnnnninncninnnccncnnccccnnos 85 Figura 5 4 Pormenor de todos os componentes ra 86 Figura 6 1 Ac o do ar e gua sobre a esta o rara 87 Figura 6 2 Parte inferior da esta o onde se observam os manes de fixa o 88 Figura 6 3 Exemplo de montagem da esta o 88 xi Lista de Tabelas Tabela 2 1 Composi o m dia do ar puro 1 eee 3 Tabela 2 2 Factores de convers o de mg m3 para PPM de alguns gases 1 4 Tabela 2 3 N veis de concentra es de cada poluente e ndice da qualidade do Ar 9 11 Tabela 3 1 Caracter sticas de v rios Microcontroladores 16 16 Tabela 3 2 Caracter sticas do sensor de Di xido de Carbono 19 21 Tabela 3 3 Caracter sticas do sensor de Mon xido de Carbono 19 33 Tabela 3 4 Caracter sticas do sensor de Di xido de Enxofre 19 35 Tabela 3 5 Caracter sticas do sensor de Di xido de Azoto 19 37 Tabela 3 6 Caracter sticas do sensor de Ozono 19 nn 39 Tabela 3 7 Modelo TCP IP e Modelo OSI e reeneeaeeaaaraae 42 Tabela 3 8 Caracter sticas do Receptor de GPS ester 49
3. Na zona B pode se observar todas as caracter sticas da comunica o do modem e por fim na zona C todos os dados enviados onde se visualiza o cabe alho e o corpo da mensagem onde est o presentes os dados enviados 76 Com esta ferramenta extremamente f cil compreender o estado da comunica o e assim detectar poss veis erros Tornou se assim numa verdadeira mais valia durante o per odo de teste Uma outra dificuldade foi conseguir analisar todos os sinais dentro da esta o estando esta em pleno funcionamento no cimo de um ve culo Para combater esta dificuldade foi desenvolvida uma base de teste para fazer debug de todos os sinais entre os v rios componentes da esta o Esta base recebe todos os sinais utilizados dentro da esta o para facilitar a procura de eventuais erros Uma outra funcionalidade desta base a possibilidade de liga o a um programador da Microchip ICD2 de modo a ser poss vel mudar o firmware da esta o sem ser necess rio a abrir Neste base tem se os sinais enviados pelo microcontrolador para o terminal de GSM GPRS os dados enviados pelo m dulo de GPRS para o microcontrolador e por fim os dados enviados pelo m dulo de GPS Figura 4 6 Base de teste e exemplo de montagem Esta base essencial para fazer debug no caso de algo n o funcionar como previsto pois consegue se ter todos os sinais no computador sem haver necessidade de abrir a esta o 77 4 2 Servidor Um s
4. eee eee eceeee ee teeeeeneeeetaes 66 Figura 3 36 Exemplo de regulador linear 18 iara 67 Figura 3 37 Esquema de um conversor Buck Step Down e respectivos sinais 18 68 Figura 3 38 Esquematico de liga o dos v rios m dulos 70 Figura 4 1 Fluxograma de funcionamento da esta o arc cnnnnancnn 72 Figura 4 2 Formato de uma trama de dados 74 Figura 4 3 Formato da primeira trama de dados erre 74 Figura 4 4 Exemplo de cabe alho e corpo da mensagem oooiinncccninnococinnononcccnnnannncnnn rancios 75 Figura 4 5 Imagem do ambiente do programa Packetyzer usr4440444n0nnnnnnnnnnnnnnnnnn 76 Figura 4 6 Base de teste e exemplo de montagem 77 Figura 4 7 Descri o da tabela dados utilizada no presente projecto 79 Figura 4 8 Exemplo de liga o da p gina de internet base de dados 79 Figura 4 9 Exemplo de inser o de dados na base de dados 79 Figura 4 10 Excerto do site desenvolvido para O projecto nennen 80 Figura 4 11 Excerto da p gina da Internet com as v rias amostras e sua localiza o 81 Figura 5 1 Base de montagem utilizada no desenvolvimento do projecto 83 Figura 5 2 Placa desenvolvida com discrimina o dos componentes
5. necess rio arejar o interior desta no caso de subida de temperatura Visto que a esta o andar no topo de um ve culo est sujeita a todas as intemp ries como tal n o vi vel abrir simplesmente um orif cio para entrar ar pois entraria tamb m gua o que danificaria o equipamento Para combater esta dificuldade utilizou se uma caixa exterior de modo a poder circular o ar mas n o gua Na Figura 6 1 pode se observar as correntes de ar e a forma como o ar circula no interior da caixa Vento gua LE ES Frente Ventoinha Caixa Ajuda ar a circular Interna Caixa Agua sai para tras Externa enquanto que o vento pode circular pelo interior da caixa De modo a fixar esta caixa no cimo de um veiculo foram utilizados imanes na parte inferior da caixa que assim faz aderir a esta o ao topo do ve culo sem necessidade de suportes ou fura es A disposi o dos manes pode ser observado na Figura 6 2 87 Figura 6 2 Parte inferior da estagao onde se observam os imanes de fixagao N o foi poss vel determinar a for a exercida pelos manes pois estes n o disp em de qualquer refer ncia ou datasheet de onde se possa retirar essa informa o Contudo a caixa foi testada num ve culo at a uma velocidade de 120 km h n o se registando qualquer oscila o ou desloca o desta Desde que a capota seja de ferro basta colocar a esta o no cimo do autom vel n o necessitando de qu
6. 44 3 5 3 Escolha do M dulo de GSM GPRS Pelas raz es que se descrevem acima a pilha de TCP IP uma caracter stica essencial na escolha deste m dulo Como tal e de entre uma enorme variedade de m dulos a escolha recaiu sobre um terminal da Siemens o modelo TC65 Ser o descritos mais adiante outros m dulos e o porqu desta escolha Este m dulo foi especialmente desenvolvido para ser embebido em diversas aplica es dadas as suas diversificadas caracter sticas como GPRS Classe 12 interfaces padronizadas PC SPI ADC RS232 pilha TCP IP integrada Java IMP 2 0 Apresenta ainda uma socket para Sim Card A pilha de TCP IP integrada uma caracter stica de enorme relev ncia pois desta forma poss vel ficar se a trabalhar na camada de aplica o o que facilita muito o desenvolvimento do sistema na sua componente de software Sem esta caracter stica seria obrigat rio a implementa o da camada de rede e transporte por via de software o que seria muito complicado Este m dulo possui ambiente Java o que permite executar software de aplica o directamente no processador do TC65 Ainda assim esta caracter stica n o foi utilizada no desenvolvimento deste projecto Refira se contudo que uma ferramenta muito importante para uma poss vel evolu o do projecto Pode observar se em maior detalhe as especifica es deste m dulo no Anexo l Na escolha do m dulo de GSM GPRS formam analisados ainda outros m dulos
7. 83 De todos os componentes observados na Figura 5 1 apenas os potenci metros e os interruptores n o foram utilizados no equipamento final pois estes serviram apenas para simula o de certos componentes Por exemplo os potenci metros foram utilizados para simular os sensores durante a fase inicial de desenvolvimento e os interruptores simularam os sensores de movimento 5 2 Fase final Uma vez comprovado o funcionamento de todo o sistema na base de teste desenhou se a placa de circuito impresso PCB do acr nimo do ingl s Printed Circuit Board com o recurso a ferramentas de CAD Computer Aided Design para desenho deste tipo de placas No caso utilizou se um software da PROTEL Altium Designer Esta ferramenta mostrou se bastante til pois o circuito apresenta uma dimens o consider vel e o aux lio do auto route desenho autom tico das pistas entre pinos foi fundamental Uma foto com o layout da placa pode ser visualizada no Anexo IV e V No desenho da PCB tentou se minimizar ao m ximo o espa o n o s para economizar espa o como tamb m do ponto de vista monet rio As empresas que fabricam estas placas definem o pre o unicamente pela dimens o da placa Esta PCB foi produzida por uma empresa irlandesa designadamente a PCB POOL Uma foto da PCB durante uma etapa de fabrica o pode ser visualizada no Anexo VI Sensor Sensor Sensor Sensor Sensor Alimenta o 02 os NO2 co coz 124 Resist ncia de Alimenta o
8. In cio sess o TCP http acetfcpc1 1 ist utl pt Sess o aceite Pedido de P gina 7 URL index php E Resposta _ OK envia index php 7 a fecha sessao Recebe dados mostra e pede imagens caso haja Figura 3 18 Exemplo de um pedido utilizando HTTP Caso o cliente necessite enviar dados pode faze lo em dois campos em caso de ser pouca informa o pode enviar os dados junto com o endere o utilizando o seguinte formato http www ist utl pt X dados amp Y maisdados onde http www ist utl pt o endere o e X dados amp Y maisdados s o os dados enviados O car cter utilizado para fazer a uni o Um outro modo de enviar dados utilizando o corpo da mensagem Neste campo pode se enviar todos os dados que forem necess rios Foi o m todo adoptado neste projecto O cliente ao efectuar um pedido obrigado a enviar um cabe alho com uma s rie de dados entre os quais o m todo utilizado o endere o do que quer receber o tipo de ficheiros que pode 43 receber a dimens o entre outros Este cabe alho tem genericamente o aspecto representado na Figura 3 19 Dependendo do tipo de informa o a obter pode se utilizar diferentes m todos GET HEAD POST PUT DELETE s o alguns dos modos mais utilizados O m todo GET provavelmente o m todo mais utilizado na Internet utilizado para recuperar a informa o que identificada no URL O m todo HEAD id ntico ao m
9. 10 lt t lt 20 gt Y 6mV temp 20 lt t lt 30 5 Vo 3mV temp Assim a tens o de sa da do sensor traduzida por Vou V V mo 100 temp 3 10 3 11 Esta tens o aplicada a entrada do Microcontrolador num dos conversores de anal gico para digital ADC dispon veis Para determinar a concentra o de CO medida recorre se a 3 3 e 3 11 ficando com V 4 V 3 x PPM 1352x 10 x10 2 663x10 10 100 100 2 V V 4 055x 10 x10 0 1189 x10 4 269 100 100 sendo que x directamente a concentra o de CO em PPM 27 3 12 3 4 2 Sensor de CO NO SO Os Para a an lise dos gases CO NO SO e Os utilizaram se m dulos pr calibrados da Alphasense Estes m dulos incluem os sensores amperim tricos o condicionamento de sinal necess rio para o funcionamento do sensor e a sua transdu o num valor de corrente bem modulado por uma express o matem tica Os sensores de gases s o c lulas electroqu micas que funcionam em modo amperim trico isto estas c lulas debitam um corrente proporcionalmente linear concentra o do g s a ser medido 3 4 2 1 Principio de funcionamento Os quatro sensores baseiam se no mesmo princ pio de funcionamento variando apenas as reac es qu micas no seu interior O fabricante apenas facultou uma descri o gen rica deste tipo de sensores n o especificando as reac es em nenhum deles
10. C O sensor apresenta sua sa da uma tens o de 400mV nos 0 C e aumenta 19 53mV por cada C 17 3 3 2 Principio de Funcionamento O sensor designado Termistor Activo Linear usa um diodo bipolar Figura 3 4 interno para medir a temperatura Monitorizando a tens o aos terminais do diodo bipolar poss vel determinar a temperatura utilizando para isso as caracter sticas el ctricas do d odo Injectando uma corrente no d odo e monitorizando a queda de tens o neste poss vel determinar a temperatura ambiente Collector Base Emitter J bee o o ee ES n Well o gt p Substrate PNP Transistor Equivalent Diode PNP Transistor in N Well CMOS Technology Figura 3 4 Diodo bipolar Segundo 22 pode se escrever a fun o de transfer ncia do sensor como Ka Voc 3 1 19 53 2 T PC onde Vi 400mV T Temperatura Ambiente e V Tens o devolvida pelo sensor out Uma vez que o sensor de temperatura devolve uma tens o apenas necess rio estabelecer a conex o deste ao conversor ADC do microcontrolador para obter a medida pretendida representac o da Figura 3 5 Na estac o utilizaram se dois sensores de temperatura onde um mede a temperatura exterior e outro a interior O sensor de temperatura interior serve unicamente como protecc o do equipamento pois faz despoletar o funcionamento de uma ventoinha quando estabelecida uma determinada temperatura nomeadam
11. Hindo Marqu s de Pombal q Miguel Bombarda Q K 20 36 03 30 10 2007 CO 0 8816 PPM C02 0 PPM SO2 0 0184 PPM Santa Marta NO2 0 2102537 PPM 03 PPM Temp 15 56 C Santo Antonio dos Capuchos Se Galerias Alexandre Figura 4 11 Excerto da pagina da Internet com as varias amostras e sua localizagao Uma vez no mapa ha a possibilidade de fazer zoom sobre a zona que interessar a fim de observar a concentra o dos gases de uma zona em espec fico 81 82 5 Ligagao dos Componentes 5 1 Fase de teste Na fase de teste utilizou se uma base de teste que dispde de breadboards e varias interfaces de LEDs e bot es Utilizar uma breadboard nem sempre bom devido aos maus contactos e aos n veis de ru do normalmente verificados contudo extremamente pr tico Terminal R tor GPS Leds EN GSM GPRS Conector ICD2 Mem ria E u EEPROM The omer a Potenci metros 7 aR Seen wee qu pr tere a vin ep ar cdi ni de oe n y t i RA he Microcontroladomees Extens es gt S rie Amplificador Instrumenta o Conversor TTL RS232 Figura 5 1 Base de montagem utilizada no desenvolvimento do projecto Na Figura 5 1 pode se observar a base de teste utilizada neste projecto com todos os elementos ligados e em pleno funcionamento Nesta base os LEDs foram utilizados para determinar o estado do equipamento nomeadamente atrav s dos interruptores de alavanca
12. Precis o paa Terminal amok GSM GPRS de ra Instrumenta o Conector Wentoinha Sensor lt UNS Y id AAA A 5 Mem ria temperatura gt EEPROM Figura 5 2 Placa desenvolvida com discriminac o dos componentes 84 Durante o processo de soldadura dos componentes teve se o cuidado de se utilizar sockets para os circuitos integrados pois estes podem facilmente serem danificados devido a alguma m liga o ou um curto circuito indesejado Outro cuidado tido foi a utiliza o de conectores de encaixe para facilmente se desmontar todos os dispositivos caso necess rio Figura 5 3 Esta o aberta com todos componentes ligados Na Figura 5 3 pode se observar a caixa com todos os componentes montados Na zona A observa se a placa desenvolvida e apresentada na Figura 5 2 A zona B o modem TC65 que foi retirado da sua caixa por quest es de espa o A zona C a bateria de 12 V de 2 Ah A Zona D representa o GPS e a zona E os sensores dos diversos gases Na zona F visualiza se a ventoinha de arrefecimento e finalmente na zona G o controlador de carregamento solar que nesta figura n o observ vel por estar coberto pela placa principal Na Figura 5 4 pode se observar em mais pormenor todos os componentes da esta o 85 Figura 5 4 Pormenor de todos os componentes 86 6 Constru o da base de suporte exterior Todos os m dulos utilizados foram embutidos dentro de uma caixa pl stica Contudo
13. amplificador de instrumenta o o valor de 4 875 De 3 16 agora poss vel escrever Vu 9 V 4 95 3 18 e atendendo a 3 17 fica se com y out 247 5 I 3 19 Sabendo que a corrente pode variar entre 4 mA e 20 mA V compreende valores entre 0 99 V e os 4 95 V onde a limite inferior corresponde ao zero da concentra o e o valor superior ao valor m ximo de concentra o para o qual o sensor est dimensionado Resumindo 0 99 V 4mA 3 20 4 95 V gt 20mA 32 3 4 2 3 Caracter sticas do Sensor de Mon xido de Carbono Na Tabela 3 3 observa se as principais caracter sticas do sensor de mon xido de Carbono O sensor tem um limite m ximo de concentra o de 100 PPM o que ideal para as concentra es esperadas No que diz respeito ao tempo de resposta este sensor apresenta um tempo inferior a 30 s O facto de n o ser imediato pode ser ben fico tal como j foi referido anteriormente Tabela 3 3 Caracter sticas do sensor de Mon xido de Carbono 19 Sensor Mon xido de Carbono CO BF Limites 100 PPM Performance Tempo de Resposta lt 30s Resolu o lt 0 3 PPM Zero Concentra o zero lt 2 Depend ncia da Zero 20 2 PPM o Ambiente Temperatura Zero 50 lt 3 PPM Limites 30 a 50 Limites de Press o kPa 80 a 120 Atendendo aos limites deste sensor e segundo 3 20 0 99V gt 0 PPM 4 95V 100 PPM Usando uma inter
14. entre 2 C a5 C Os cientistas apontam o degelo dos glaciares como uma das principais consequ ncias O n vel do mar subir a manter se as previs es entre 25 a 95 cm provocado o desaparecimento total ou parcial de certas ilhas e consequentes altera es na rea costeira 2 2 2 Acidifica o Chuvas cidas Segundo 3 a ocorr ncia de chuva cida foi primeiro relatada em Manchester na Inglaterra Em 1852 Robert Angus Smith identificou a correla o entre a chuva cida e a polui o atmosf rica A express o chuva cida foi por ele empregue em 1872 Observou que essa chuva cida podia levar destrui o da natureza Embora a chuva cida tenha sido descoberta desde 1852 n o foi sen o em 1970 que os cientistas come aram de facto a estud la com maior acuidade Este fen meno deve se principalmente presen a de Di xido de Enxofre em excesso na atmosfera que juntamente com o xido de Azoto causam de um dos mais preocupantes fen menos da segunda metade do s culo XX Devido utiliza o desmesurada de combust veis f sseis encontram se em excesso na atmosfera terrestre o xido de Enxofre e o Azoto Estes gases por ac o da luz solar combinam se com o Oxig nio e a humidade do ar dando origem ao cido n trico e ao cido sulf rico Assim quando chove a gua arrasta consigo estes cidos transportando os at aos solos e rios provocando uma diminui o do seu PH Esta acidifica o tem
15. s de um servi o de Internet usando GPRS e este m dulo n o pode estar consecutivamente ligado de modo a maximizar o rendimento energ tico empregou se uma mem ria auxiliar para guardar os dados O GPRS pago aos pacotes de 1kB 10 kB ou 100 kB dependendo do tarif rio escolhido Neste projecto utilizou se um tarif rio com pacotes de 10 kB de modo a que a informa o dispon vel no site possa estar a mais actualizada poss vel Em http www empresas vodafone pt tarifarios dados DadosFax htm poss vel observar em pormenor um poss vel tarif rio e todas as suas caracter sticas Apesar de se enviar o pacote assim que este esteja preenchido necess rio a presen a de uma mem ria para guardar a informa o de v rios pacotes pois pode ocorrer uma indisponibilidade da rede que impossibilite o envio do pacote Assim a esta o n o tem que ficar parada enquanto a situa o normaliza guardando sistematicamente os dados na mem ria O microcontrolador recolhe os dados de todos os dispositivos compacta esses dados de acordo com o formato apresentado na Figura 4 2 e 4 3 e envia esses dados para a EEPROM Uma posi o da mem ria refere a quantidade de dados inseridos na mem ria para assim garantir que numa situa o de falha de energia n o haver perda da informa o j guardada O microcontrolador quando inicia l esse n mero e cont nua a guardar os dados a partir dessa posi o Hora Latitude Longitude Sensor
16. todo GET excepto na resposta do servidor Este deve retornar unicamente o cabe alho O m todo HEAD utilizado para determinar tamanho de ficheiros ou datas de actualiza o poupando assim algum tr fego Por fim o m todo POST utilizado para submeter dados a serem processados por um recurso conhecido Os dados s o inclu dos no corpo do pedido Linhas au POST ms add php HTTP 1 0 Fc User Agent MC75 4 1 Content Length 9810 Linhas De Content Type application x www form cabecalho Host acetfcpc1 1 ist utl pt Cache Control max age 259200 Connection keep alive Figura 3 19 Exemplo de um cabe alho Por outro lado o servidor na resposta tamb m tem certas regras a seguir Este deve enviar uma linha de resposta com um c digo de onde se compreende se o pedido foi bem concretizado ou n o Deve de seguida enviar um cabe alho com o tipo de dados enviados quantidade de dados hora etc e por fim o corpo da mensagem com os dados solicitados Na Figura 3 20 pode se observar uma resposta onde o servidor envia o conte do de um s tio da Internet linhas S HTTP 1 0 200 OK pedido Date Thu 15 Nov 2007 11 28 50 GMT Server Apache 1 3 24 WIN32 PHP 4 1 3 dev X Powered By PHP 4 1 2 Figura 3 20 Resposta de um Servidor Contudo para comunicar com o servidor do site utilizando bases de dados e gerar conte do din mico necess rio utilizar determinadas linguagens como o PHP entre outras
17. 051 V 5 y 3 28 out 36 3 4 2 5 Caracter sticas do Sensor Di xido de Azoto Na Tabela 3 5 pode se observar as principais caracter sticas do sensor de di xido de azoto O sensor tem um limite de concentra o de 10 PPM e uma resolu o de 0 02 PPM caracter sticas adequadas para os valores esperados Tabela 3 5 Caracter sticas do sensor de Di xido de Azoto 19 Sensor Di xido de Azoto NO5 B1 Limites 10 PPM Performance Tempo de Resposta lt 60s Resolu o lt 0 02 PPM Zero Concentra o zero lt 0 2 Depend ncia da Zero 20 lt 0 15 PPM o Ambiente Temperatura 20 50 lt 0 1 a 0 25 PPM Limites 30 a 50 Limites de Pressao kPa 80 a 120 Atendendo aos limites deste sensor e segundo 3 20 0 99V gt 0 PPM 4 95V gt 10 PPM Finalmente segundo 3 20 e 3 22 fica se com X PPM 2 525 V 2 0 out 3 29 3 30 A depend ncia da temperatura no sensor de di xido de Azoto est representada na Figura 3 16 37 Depend ncia da temperatura do sensor de dioxido de Azoto 106 y 6 474e 008 x 8 246e 007 x 0 0002379 0 002556 x2 104 0 3767 x 93 46 102 100 98 Curva Real Interpolac o 96 Sensibilidade 94 92 90 88 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Temperatura C Figura 3 16 Curva real com os dados do fabricante e respectiva interpolagao Usando mais uma vez uma interpola o
18. 15H uuu cee cceccceesccscccssseesscesscecsssesssesssseesscesssessssesesceseecsassessscesusesescsseeesaes 105 ANEXO Ill ESQUEMATICO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DESENVOLVIDA ooococcconccinnocincccnnos 107 ANEXO IV LAYOUT DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DESENVOLVIDA BOTTOM LAYER 109 ANEXO V LAYOUT DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DESENVOLVIDA TOP LAYER 111 ANEXO VI PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO EM FASE DE CONSTRU O ccooccnncccnonccnnoconcnonnccinac nnos 113 ANEXO VII RESULTADOS EXPERIMENTAIS PERCURSO EM BENFICA oooccoccconccnonccinnocancninnacinncnnnos 115 ANEXO VIII RESULTADOS EXPERIMENTAIS PERCURSO EM BENFICA ooccoccconccconccnonocancninnccinnonnnos 119 ANEXO IX MANUAL DE INSTRU ES cccccccceccccssscescecessccssceessecsssesssesssscssscesseceesscssecessecsssessseenaes 121 Lista de Figuras Figura 2 1 Imagem exemplificativa das fontes dos v rios poluentes 9 5 Figura 2 2 Emiss o de Clorofluorcarbonetos 15 eee 8 Figura 3 1 Diagrama com os componentes do sistema cnn 13 Figura 3 2 Ilustra o dos m dulos de um microcontrolador uuersnnseennnnnennnnnnneenenn 15 Figura 3 3 Exemplo gen rico do tipo de sensor utilizado 22 17 Figura 3 4 Diodo bipolar 2 tele allen 18 Figura 3 5 Esquema de liga o do sensor de temperatura nennnneeennnnnennnnnnnnnn n
19. 8 7281 0 122 0 212 0 0917 0 1218 0 1336 0 1906 7000 8499 140 229 120 179 210 349 6 1103 7 4188 0 074 0 122 0 0611 0 0912 0 0802 0 1332 5000 6999 100 139 60 119 140 209 4 3645 6 1094 0 053 0 074 0 0306 0 0606 0 0534 0 0798 E 4999 E 99 a 59 5 139 4 3636 0 053 0 0301 0 0531 11 12 3 Constitui o da Esta o Hardware 3 1 Principio Geral de funcionamento da Esta o M vel De modo a conceber um dispositivo m vel aut nomo autom tico capaz de medir as concentra es dos diversos gases poluente foram utilizados v rios m dulos Estes podem ser concebidos pelo projectista e outros adquiridos prontos a utilizar sinal Genericamente a esta o constitu da por Um m dulo de controlo Um m dulo de localiza o GPS Um sistema m vel para envio de dados terminal de GSM GPRS Um sistema de alimenta o com base em tecnologia fotovoltaica Sensor para cada poluente temperatura e movimento com respectivo condicionamento de Mem ria para armazenamento tempor rio dos dados Um esquema gen rico da esta o pode ser observado na Figura 3 1 Informa o fica guardada num servidor E CONTROLADOR MICROCHIP ESERVIDOR de Figura 3 1 Diagrama com os componentes do sistema 13 O armazenamento da informa o obtida feito numa base de dados de um servidor com liga o Internet A esta
20. Data pois devolve o m nimo de dados necess rios Nesta trama recolhe se informa o sobre a posi o em latitude longitude e altitude validade dos dados informa o hor ria velocidade do receptor e o modo de funcionamento 49 Q oO 3 6 4 Custo e m todo de aquisig o do Receptor de GPS O receptor de GPS custou 52 directamente no revendedor da Garmin em Paco de Arcos Portugal 3 6 5 Esquema de ligag o Na Figura 3 22 poss vel observar o esquema de liga o entre o terminal GPS e o microcontrolador Este m dulo utiliza uma interface RS232 para comunica o Os pinos n o conectados podem ficar em aberto Como no componente utilizado na sec o anterior aqui tem que se utilizar um conversor max232 de RS232 para valores TTL pois o GPS est preparado para se ligar directamente a um computador GPS 15H 1 Backup Power 2 GND 3 Power 4 Data Out 5 Data IN 6 RF Bias 7 PPS 8 Data IN 2 CA wa wm Do o w 00 e on R Ny SITTITITTITTTI AAA NA FERNE 14 MICROCHIP gt 15 dsPICOFA013 4 Lo 16 25 Lo 17 aM 18 B o 19 22 20 21 1 ypp Figura 3 22 Esquema de liga es entre o m dulo de GPS e o microcontrolador Na Figura 3 22 apenas s o descritas as liga es principais para uma an lise mais pormenorizada das liga es pode se analisar o Anexo III 50 3 7 Memoria Adicional Devido a necessidade de se guardar um
21. Por fim o el ctrodo de refer ncia Reference usado para assegurar que o el ctrodo de trabalho funciona na regi o correcta da sua curva de corrente tens o importante que este el ctrodo esteja num potencial est vel de modo a manter um potencial electroqu mico igualmente est vel no el ctrodo de trabalho S assim poss vel garantir a sensibilidade constante uma boa linearidade e uma minimiza o da interfer ncia de outros gases 29 3 4 2 2 Condicionamento de Sinal O condicionamento de sinal nestes sensores pode se dividir em quatro blocos o condicionamento de sinal necess rio polariza o do sensor Figura 3 12 a a protec o do sensor Figura 3 12 b a limita o da corrente devolvida pelo sensor a um intervalo compreendido entre 4 mA correspondente ao zero da concentra o do sensor e 20 mA correspondente concentra o m xima do sensor Figura 3 12 c e finalmente a convers o do valor de corrente num valor de tens o posteriormente utilizado no conversor de anal gico para digital ADC do microcontrolador Figura 3 13 Na Figura 3 12 poss vel observar se os tr s primeiros blocos do condicionamento de sinal e na Figura 3 13 o quarto bloco Figura 3 12 Esquema do condicionamento de sinal para o sensor 8 Na Figura 3 12 a encontra se o circuito de controlo Este circuito fornece a corrente ao el ctrodo de contagem de modo a balancear o equil brio com o el ctrod
22. ajuda e compreens o que mostraram em todos os momentos desta longa caminhada minha irm sempre com uma palavra carinhosa nos momentos mais dif ceis Resumo O presente trabalho consiste no desenho e constru o de um sistema m vel de monitoriza o da qualidade do ar O sistema constitu do por diferentes m dulos que podem ser por exemplo acoplados a autocarros ou t xis que circulam durante o dia pela cidade de modo a obter um mapa da qualidade do ar em toda a sua extens o Cada m dulo de monitoriza o possui diversos sensores para medida da concentra o de diferentes gases um sensor de posi o GPS para localiza o da posi o do m dulo e comunica o por GSM GPRS para transmiss o dos resultados da medida para uma esta o central servidor Cada m dulo auto suficiente em termos energ ticos pois s o alimentados por baterias carregadas por um painel solar O servidor apresenta os resultados em tempo real de forma num rica ou gr fica sobreposta a um mapa da cidade indicando com diferentes cores a concentra o dos diferentes gases medidos CO NO Os SO CO Palavras chave Sistema de monitorizac o Qualidade do ar Sensores GPRS GPS e microcontrolador Abstract The present work consists on the development and construction of a mobile system to monitor the quality of air The system is constituted by different modules that can be for example connected to a bus or taxis that travels d
23. constitu da por duas placas uma positiva onde o material activo o Per xido de Chumbo PbO e outra negativa onde o Chumbo met lico o material activo Estas placas est o mergulhadas num electr lito constitu do por uma solu o de cido sulf rico SO4H2 e gua H20 isoladas por um separador espec fico um material isolante mas ao mesmo tempo esponjoso de modo a permitir o fluxo de alguns i es SO e H2 Este fluxo de i es vai dar origem por sua vez a uma corrente el ctrica 3 9 3 3 Problemas e Solu es No decorrer do projecto houve a necessidade de carregar a bateria Como n o se dispunha de carregador autom tico optou se por fazer um carregamento manual Para tal avaliou se o ciclo de carregamento da bateria e os pontos fundamentais do processo A bateria carregada introduzindo uma corrente el ctrica designada corrente de carga Todavia a bateria n o armazena essa carga passivamente ou seja desenvolve uma certa repuls o a esta corrente Como tal necess rio ir ajustando a corrente e tens o de carga para obter uma carga perfeita sem danificar a bateria Uma opera o de carga inicial divide se em tr s fases corrente constante tens o constante e por fim float Na Figura 3 35 pode se observar a curva da corrente e tens o em cada uma destas fases Na primeira fase a corrente mantida constante enquanto a tens o sobe at se dar a decomposi o do electr lito Aqui a corrente deve ser 1
24. desde mem rias flash EEPROM conversor de sinal anal gico para digital ADC Analog Digital Converter entradas e sa das digitais temporizadores entre outros Figura 3 2 Ilustra o dos m dulos de um microcontrolador H diversas empresas a produzir estes microcontroladores sendo as mais conhecidas a Microchip Atmel Texas Instruments Philips Semicondutor e NEC 15 3 2 2 Escolha do Microcontrolador No projecto utilizou se um microcontrolador da Microchip um fabricante especializado neste tipo de dispositivos essencialmente pelo facto de o autor estar familiarizado com os produtos desta marca Dentro dos produtos da Microchip ha um vasto leque de microcontroladores do qual se seleccionou uma determinada gama de acordo com alguns requisitos do sistema Os factores mais importantes s o a necessidade de duas interfaces RS232 para comunica o com o m dulo de GSM GPRS e o GPS denominada UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter uma interface de SPI Serial Peripheric Interface para conex o a uma mem ria e sete canais conversores de sinais anal gicos para digitais para os diversos sensores A condi o de obrigatoriedade de duas interfaces UART reduz o leque de escolha Contudo tal podia ser combatido com o recurso a uma nica interface UART e multiplexagem Ainda assim esta t cnica n o foi necess ria pois apesar de ser um lote pequeno existem modelos que satisfazem as necessidades Na Tabela
25. dos dados do gr fico da sensibilidade em fun o da temperatura poss vel obter a depend ncia nomeadamente y 6 474x10 x 8 246 x 107 x 2 379 x 10 x 2 556x 10 x 3 767x 10 x 93 46 3 31 Sabendo que x representa a temperatura e usando 3 30 poss vel obter finalmente para a concentra o do di xido de Azoto X PPM 2 525 V 2 5 y 3 32 o 38 3 4 2 6 Caracteristicas do Sensor de Ozono Para o sensor de Ozono utilizou se um sensor de Cloro que 100 sens vel ao Ozono Na Tabela 3 6 pode se observar as principais caracter sticas do sensor de Ozono O sensor tem um limite de concentra o de 10 PPM e uma resolu o de 0 02 PPM caracter sticas adequadas para os valores esperados Tabela 3 6 Caracter sticas do sensor de Ozono 19 Sensor Ozono CL gt B1 Limites 10 PPM Performance Tempo de Resposta lt 60s Resolu o lt 0 02 PPM Zero Concentra o zero lt 0 2 Depend ncia da Zero 20 lt 0 15 PPM o Ambiente Temperatura eso 50 0 1 a 0 25 PPM Limites 30 a 50 Limites de Press o kPa 80 a 120 Atendendo aos limites deste sensor e segundo 3 20 0 99 gt 0 PPM 4 95V gt 10 PPM Finalmente segundo 3 20 e 3 22 fica se com X PPM 2 525 V out 23 3 33 3 34 A depend ncia da temperatura no sensor de Ozono est representada na Figura 3 17 39 Depend ncia da temperatura do sensor de
26. es mais baixas s o suscept veis de gerar problemas cardiovasculares em doentes coron rios inibindo a capacidade do sangue trocar oxig nio com os tecidos vitais Pode em concentra es extremas provocar morte por envenenamento 2 3 4 Di xido de Azoto NO O di xido de Azoto um g s acastanhado facilmente detect vel pelo odor muito corrosivo e um forte agente oxidante Quando de origem humana essencialmente resultantes da queima de combust veis a altas temperaturas quer em instala es fixas quer nos ve culos autom veis Em condi es naturais os xidos de Azoto prov m de transforma es microbianas nos solos e de descargas el ctricas na atmosfera Na maior parte das situa es o NO mon xido de Azoto emitido para a atmosfera posteriormente transformado em NO por oxida o fotoqu mica Em concentra es elevadas pode provocar problemas do foro respirat rio especialmente em crian as e em doentes asm ticos Tal como o di xido de Enxofre um poluente acidificante e tamb m respons vel pelas chuvas cidas que acidificam meios naturais e atacam quimicamente algumas estruturas por processos corrosivos 2 3 5 Ozono 03 O Ozono um g s incolor bastante oxidante que aparece nas camadas baixas da atmosfera Troposfera principalmente como resultado de reac es qu micas envolvendo poluentes org nicos xidos de Azoto e radia o solar sendo por isso denominado de poluente secund rio
27. interno 66 3 9 4 1 Tens o de 5 Volts Para a obten o dos 5 V utilizou se um conversor DC DC Este tipo de conversores utilizado para mudar o valor da uma tens o seja para um valor mais baixo Buck ou para um valor mais alto Boost Para este efeito poder se ia ter utilizado um regulador linear do tipo 7805 mas este tipo de componente dissipa energia para baixar a tens o visto que o funcionamento aproximado ao de um divisor resistivo Uma vez que necess rio baixar de 12 V para 5 V a energia dissipada seria enorme Na Figura 3 36 apresenta se um esquema de um regulador linear Raw DC Figura 3 36 Exemplo de regulador linear 18 Um conversor DC DC utiliza componentes indutivos capacitivos e sinais com alta frequ ncia para gerar a tens o desejada Na Figura 3 37 apresenta se um esquema de um conversor Buck tamb m conhecido como Step Down que converte o sinal para um n vel de tens o inferior Analisando a Figura pode se salientar os seguintes factores o interruptor S1 concretizado com recurso a um trans stor e a um circuito de comando que comuta o sinal a uma frequ ncia elevada A frequ ncia a que este interruptor varia ir influenciar a capacidade de armazenamento da bobina ou seja para se diminuir a dimens o da bobina e por sua vez diminuir a capacidade de armazenamento a frequ ncia tem que aumentar 67 Indicates current with 1 On Closed indicates current wi
28. isso grande versatilidade Esta tese descreve um sistema m vel aut nomo capaz de monitorizar v rios par metros que determinam a qualidade do ar Neste projecto apenas foi constru do uma esta o sendo portanto um ponto de partida para a realiza o de outras esta es e a concretiza o de um sistema mais completo podendo deste modo apresentar um mapa da qualidade do ar numa cidade em toda a sua extens o Os dados recolhidos pelas esta es s o disponibilizados num s tio na Internet onde podem ser facilmente acedidos por uma institui o ou qualquer utilizador O pr ximo cap tulo aborda de forma gen rica a constitui o da atmosfera e estuda a composi o do ar as fontes poluidoras e consequ ncias dessa polui o Analisa se ainda cada g s poluente e a sua contribui o directa para a polui o Por fim s o referidas as principais normas de emiss o e licenciamento dos agentes emissores de gases poluentes No terceiro cap tulo come a se por apresentar um princ pio geral de funcionamento do sistema m vel de monitoriza o de agora em diante denominado esta o m vel onde o leitor pode compreender os principais m dulos utilizados e sua fun o Estuda se tamb m de forma mais aprofundada os v rios blocos que constituem a esta o passando pela unidade programada de controlo sensores e m dulos de GSM GPRS Global System for Mobile Communications General Packet Radio Service e GPS do acr nimo do ingl s
29. liga o entre o terminal GSM GPRS e o microcontrolador Este m dulo utiliza uma interface de RS232 para comunica o Os pinos de IGN igni o e RST reset situados na ficha de alimenta o foram conectados massa inibindo assim o seu uso HE mem 17665 9 32 10 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 MICROCHIP 4 dsPIC30F401 16 3 25 17 24 18 23 19 22 ez 21 DANBARON PITT VDD Cart o SIM Nao Utilizado Figura 3 21 Esquema de liga o do terminal GSM GPRS ao microcontrolador Para se ligar este m dulo ao microcontrolador houve necessidade de utilizar um conversor neste caso o max232 de RS232 para TTL isto porque o microcontrolador apenas pode receber sinais TTL Na Figura 3 21 apenas s o descritas as liga es principais para uma an lise mais pormenorizada das liga es pode se analisar o Anexo III 46 3 6 Sistema de localiza o M dulo GPS Uma vez que a esta o a desenvolver vocacionada para ser m vel necessita de algo que a situe geograficamente Assim utilizou se um receptor de GPS Este receptor fornece uma posi o relativamente Terra referenciada ao Equador e ao meridiano de Greenwich Traduz se por tr s par metros a latitude a longitude e altitude 3 6 1 Breve introdu o ao GPS O GPS Global Positioning System um sistema de posicionamento por sat lite utilizado para determina o da posi o de um receptor na sup
30. o debitada pelo sensor Como o sensor devolve o valor de tens o e se pretende obter a concentra o altera se a equa o 3 2 de modo a ficar em fun o de y nomeadamente x PPM H 352 x 107 7 2 663x10 y 4 055 x 10 y 0 1189 y 4 269 3 3 3 4 1 2 Principio de funcionamento O princ pio de funcionamento do sensor utilizado neste projecto n o foi facultado pelo fabricante Como tal para melhor compreender o princ pio de funcionamento deste tipo de dispositivos apresenta se em alternativa um sensor de CO da Figaro O sensor utilizado no projecto ainda se encontra em fases de desenvolvimento pelo pr prio fabricante da n o ser poss vel serem facultados dados O sensor da Figaro bastante semelhante apresenta um tempo de resposta praticamente imediato mas o seu consumo cerca de 1 5W valor muito alto tendo em conta o tipo de dispositivo onde seria aplicado Segundo 20 o sensor de CO consiste numa c lula de electrol tica s lida sens vel ao CO e um termistor interno para compensa o da temperatura Na Figura 3 7 ilustra se um corte transversal do sensor que facilita a compreens o da sua constitui o 22 Filtro Rede aco muito fina Sensor Plastica Zoom Elemento t rmico Substrato de Al O Vidro El ctrodo de Ouro Carbonato de Litio Na ion Condutor Figura 3 7 Corte Transversal do TGS4160 e detalhe do sensor A b
31. o outros gases que igualmente partilham este 1 Na baixa atmosfera ainda se encontra in meras poeiras e part culas Tabela 2 1 Composi o m dia do ar puro 1 Nome Forma propor o ICE IC EI A TA Di xido de Carbono 340 PPM N on 18 18 PPM Metano 1 5 PPM Kripton 1 14 PPM Oxido Nitroso 0 40 PPM Ha essencialmente duas unidades de concentra o utilizadas em qu mica atmosf rica PPM partes por milh o tal como utilizado na Tabela 2 1 e miligramas por metro c bico mg m ou micro gramas por metro c bico ug m Estas duas unidades s o facilmente relacion veis nomeadamente atrav s de X PPM _ 24 45 Y mg m Peso Molecular A Tabela 2 2 apresenta o resultado da rela o traduzida por 2 1 para alguns gases Tabela 2 2 Factores de convers o de mg m3 para PPM de alguns gases 1 G s Factor de convers o PPM m3 mg Hidrog nio 89 H lio 178 Metano 712 Di xido de Azoto 2050 Di xido de Enxofre 2860 Sulfureto de Hidrog nio 1520 Amon aco 760 Oxido Nitroso 1960 Ozono 2140 Mon xido de Carbono 1259 Di xido de Carbono 2 1 Polui o do Ar e Fontes Poluidoras A polui o do ar pode ter diversas defini es Segundo 1 A polui o do ar significa a presen a nas atmosferas exteriores de um ou mais contaminantes ou a sua combina o em quantidades ou com uma dura o tal que possam vir a ser considerado
32. ozono 104 102 100 oO co 96 Curva Real Interpola o 94 Sensibilidade 92 90 ast y 1 907e 007 5 689e 006 x 0 0003257 0 0121 0 1015 x 100 3 86 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Temperatura C Figura 3 17 Curva real com os dados do fabricante e respectiva interpolagao Usando uma interpola o dos dados do gr fico da Figura 3 17 poss vel quantificar a respectiva depend ncia y 1 907x 107 x 5 689x10 x 3 357x10 x 1 21x107 x 1 015 x 10 x 100 3 3 35 Sabendo que x representa a temperatura usando 3 34 fica se com a express o final de onde se obt m a concentrac o do Ozono X PPM 2 525 V 2 5 y 3 36 o 40 3 5 Sistema de Transmiss o de Dados M dulo GSM GPRS A transmissao de dados de um modo automatico revelou se numa necessidade essencial Desta forma a esta o n o requer qualquer manuseamento por parte do utilizador para a obten o e armazenamento dos dados Estes s o enviados de forma autom tica da esta o para um servidor onde podem ser facilmente consultados Para tal utilizou se um m dulo de GSM GPRS que possui v rias formas de comunica o Com estes m dulos poss vel por exemplo fazer chamadas de voz chamadas de dados enviar sms small messaging system enviar dados por GPRS utilizar servi os de Internet usando GPRS entre outros Neste projecto utilizou se um servi o de Internet tendo como base de liga o o GPR
33. q N HNO3 H2504 Ir ar N A maioria das e gt H202 03 PAN a 2d de Ma part culas em suspens3o Re S Y es A maioria dos un A a nain MAD CA Figura 2 1 Imagem exemplificativa das fontes dos v rios poluentes 9 2 2 Consequ ncias da Polui o 2 2 1 Efeito de Estufa Os gases naturais existentes na atmosfera formam uma cobertura capaz de reter a radia o solar mantendo o calor junto superf cie terrestre Assim a atmosfera aquece funcionando como uma estufa Este fen meno natural permite que a Terra se mantenha a uma temperatura aproximada de 16 C na superficie Sem este fen meno a temperatura m dia do planeta seria de 15 C tornando insustent vel a vida na Terra tal como a conhecemos Por m o Homem tem feito acentuar esse efeito de estufa causando um aumento gradual da temperatura Os gases respons veis pelo efeito de estufa s o principalmente o Di xido de Carbono vapor de gua o Metano entre outros Como refere 1 estes gases deixam passar as radia es solares quase sem obst culos mas absorvem alguma da radia o infravermelha emitida pela superf cie da Terra que irradiam em parte de novo ao planeta Como resultado a superf cie recebe quase o dobro de energia da atmosfera do que a que recebe do Sol e a superf cie fica cerca de 30 C mais quente do que estaria sem a presen a dos gases de estufa Como referem v rios cientistas prev se que at 2030 a temperatura do nosso planeta suba
34. range as well it is the perfect stand alone device for sophisticated M2M solutions The TC65 Terminal is lead free meeting the European requirement on limiting the use of hazardous substances in electrical and electronic devices RoHS General features Specification for GPRS Quad band data transmission 850 900 1800 1900 MHz Multislot class 12 GSM release 99 PBCCH support RF Output power Coding scheme 1 to 4 Class 4 2 W for EGSM 850 Class B mobile station and 900 Class 1 1 W for GSM 1800 Pon Tor ESP data transmission and 1900 Up to 14 4 kbit AT commands Hayes GSM 07 05 at 0 en and GSM 07 07 Non transparent mode SIM application toolkit p USSD support release 99 Supply voltage range Specification for fax 8V 30V DC Group 3 class 1 Power save mode Specification for volce Dimensions 130 x 90 x 38 mm GSM FR GSM HR GSM EFR Weight lt 190 g and AMR speech codecs Ambient temp range supported 30 to 65 C Adaptive multirate AMR Automatic switch off at 75 C Basic hands free operation age ena range Echo cancellation 40 C 85 C Noise reduction Open application platform Specification for SMS 103 104 Anexo II GPS Garmin 15H Especifica es t cnicas 1 5 TECHNICAL SPECIFICATIONS Specifications are subject to change without notice 1 5 1 Physical Characteristics 1 5 1 1 Size e GPSISH amp ISL 1 400 35 56 mm wi
35. rendimento do painel solar Existem genericamente tr s tipos de pain is solares Reguladores Shunt Neste tipo de regulador a tens o da bateria define a tens o operacional do m dulo fotovoltaico normalmente de 14 V e s pode ser usado com fontes fotovoltaicas Reguladores S rie Estes reguladores podem ser usados unicamente com fontes fotovoltaicas e englobam geralmente os reguladores MPPT Maximum Power Point Tracking Reguladores Universais ou de Divers o Este tipo de regulador tem um funcionamento muito id ntico ao regular shunt mas em vez de estabelecer um curto circuito fonte de energia quando a bateria est cheia ligada uma carga de divers o Esta carga pode ser uma simples resist ncia luz aquecimento de gua entre outros podendo se assim aproveitar a energia que doutra forma era desperdi ada Este regulador pode ser usado com qualquer fonte de energia renov vel seja ela solar e lica ou de outro tipo Dos tr s tipos de reguladores apresentados o regulador universal destaca se por poder ser utilizado com qualquer fonte de energia De forma a melhor entender o funcionamento de cada um destes reguladores apresenta se na Figura 3 33 um esquem tico de cada tipo de regulador 62 Carregando Bateria cheia Regulador de S rie aa Bat Bat KA MA Regulador Shunt O Bat O Bat MA MA al Regulador Universal Bat Tontrol O Control Figura 3 33 Vari
36. respons vel pelo chamado nevoeiro fotoqu mico frequentemente apontado como o principal respons vel por perdas agr colas e danos na vegeta o existindo esp cies particularmente sens veis ao seu efeito Na sa de humana pode provocar dificuldades respirat rias 2 3 6 Part culas em Suspens o PM o As Part culas em suspens o s o material s lido ou pequenas got culas de fumo poeiras e vapor condensado no ar Prov em principalmente do sector industrial obras de constru o civil e processos agr colas um dos principais poluentes em termos de efeitos na sa de humana particularmente as part culas de menor dimens o que s o inal veis penetrando no sistema respirat rio danificando o Podem ser respons veis pela diminui o da troca gasosa em esp cies vegetais 10 2 4 Medidas Legislativas Tendo em conta a preserva o melhoria e defesa da qualidade do ambiente revelou se necess rio adoptar medidas legislativas para salvaguardar a qualidade do bem comum a todos o ar Nesse sentido foi aprovado uma directiva 96 62 CE de 27 de Setembro de 1996 relativa avalia o e gest o da qualidade do ar ambiente O objectivo geral da presente directiva consiste em definir os princ pios de base de uma estrat gia comum designadamente destinada a Estabelecer objectivos para a qualidade do ar ambiente na Comunidade a fim de evitar prevenir ou limitar os efeitos nocivos sobre a sa de humana e sobre o ambien
37. ret m as mol culas gasosas atrav s da gravita o os corpos celestes com uma massa menor s o desprovidos de atmosfera A maioria dos autores refere que a atmosfera se divide em cinco camadas No entanto h outros autores que dividem a atmosfera em apenas quatro camadas Segundo 3 a sua divis o feita em fun o do seu comportamento t rmico sendo a troposfera a primeira camada que se encontra entre os 9 e os 17 km a partir da superf cie nela que sucedem os principais fen menos meteorol gicos A camada seguinte a Estratosfera onde se verifica um aumento da temperatura j que ao absorver os raios ultravioletas a camada de ozono que a se encontra aquece a a aproximadamente 50 km de altitude a temperatura ronda os 0 C Seguidamente encontra se a Mesosfera onde a temperatura volta a descer at atingir 90 C a cerca de 80 km de altitude A camada que lhe sucede a Termosfera a cerca de 190 km do solo A quinta camada a Exosfera que tamb m designada por lonosfera uma vez que a a radia o solar muito ionizante originando fen menos luminosos A composi o qu mica da atmosfera dominada pelo Azoto 78 084 e pelo Oxig nio 20 946 que totalizam quase 99 da sua massa seca Diversos gases partilham o 1 restante nomeadamente o Di xido de Carbono e os gases raros como o Argon N on e o Kripton O Hidrog nio o H lio o Metano o Ozono e centenas de outras mol culas de origem humana ou natural s
38. todos os portos activos e as interfaces prontas a receber ou enviar dados No passo seguinte lido da mem ria o n mero de bytes nela guardados Normalmente este n mero estar a zero salvo casos excepcionais em que houve uma falha de energia A vari vel que controla o n mero de dados em mem ria ent o inicializada com o valor lido Quando tudo est inicializado o microcontrolador liga todos os perif ricos Entenda se por perif ricos o receptor de GPS amplificadores de instrumenta o e todos sensores relativos aos par metros do ar Para melhorar a efici ncia energ tica o m dulo de GSM GPRS s iniciado enquanto existirem dados para enviar O receptor de GPS uma vez ligado envia a cada segundo informa es para o microcontrolador Atrav s do uso de interrup es este l o buffer do UART assim que houver dados dispon veis Num dos par metros dos dados enviados pelo receptor de GPS encontra se a validade dos dados Enquanto os dados forem considerados inv lidos n o se avan a para a pr xima opera o Assim que os dados forem v lidos o microcontrolador retira destes a data e posi o geogr fica actual Esta opera o de leitura dos dados do GPS realizada ininterruptamente e de forma paralela ao resto das opera es De seguida calcula se a dist ncia entre a posi o actual e a ultima posi o guardada Esta posi o referente ao ltimo local onde foi recolhido a informa o dos sensores Quand
39. traduzem a concentra o do poluente numa tens o e outros que traduzem essa concentra o numa corrente 3 4 1 Sensor de Di xido de Carbono Para medir a concentra o de Di xido de Carbono CO2 existem variados tipos de recursos no mercado diferenciando se principalmente pelo seu tempo de resposta consumo e limites de concentra es para o qual operam Neste projecto utilizou se um sensor da Alphasense que se evidenciou a todos os outros por n o ser necess rio qualquer tipo de condicionamento de sinal e n o necessitar de alimenta o Como o consumo de energia neste projecto uma limita o critica este foi um factor de enorme relev ncia 3 4 1 1 Caracter sticas do sensor de Di xido de Carbono Como se pode observar na Tabela 3 2 o sensor de CO utilizado varre na perfei o a banda de concentra o que se espera vir a encontrar num ambiente normal Na Figura 3 6 pode se observar a resposta deste sensor Como a concentra o normal de CO presente no ar normalmente nunca inferior a 350 PPM n o de esperar que este sensor debite menos que 5mV O tempo de resposta deste sensor um pouco elevado demorando 2 a 4 minutos a responder a uma varia o da concentra o Quer isto dizer que o sistema n o tem a capacidade de reagir a varia es bruscas da concentra o de CO Contudo uma vez que se pretende que o dispositivo m vel obtenha um valor m dio e tendo em conta que as varia es bruscas nomeadam
40. 0 do valor da carga da bateria uma bateria de 100 Ah deve ser carregada a 10 A e a tens o pode subir at aos 14 4 V numa bateria de 12 V Na segunda fase a tens o tem que ser mantida nos 14 4 V sendo que necess rio ir diminuindo a corrente at aproximadamente 1 do valor da carga da bateria Neste ponto a carga da bateria est completa A terceira e ltima fase serve para manter a carga da bateria a 100 neste ponto a tens o deve baixar para os 13 8V e a corrente deve ser aproximadamente nula 65 Fase de corrente Fase de tensao Fase de floating Constante constante U i At 80 da carga At 100 da carga 14 4V 13 8V Manter a carga a 100 Tens o Corrente Valor da corrente de floating lt 1 gi CC tempo EAE gt Figura 3 35 Fases de Carregamento de uma bateria Para conseguir realizar este procedimento utilizou se uma fonte de alimenta o comandada por corrente e um mult metro Depois de uma montagem adequada foi poss vel realizar o carregamento completo da bateria 3 9 4 Tens es Utilizadas Neste projecto utilizaram se v rios n veis de tens o Para o microcontrolador Max232 e memoria EEPROM utilizaram se 5 V na alimenta o dos sensores de gases utilizou se 9 V no GPS e Terminal de GSM GPRS utilizou se directamente a tens o da bateria 12V Neste ultimo caso houve a possibilidade de utilizar directamente a tens o da bateria porque os equipamentos possuem regulador
41. 2MOd ELOPADEDLASP Anexo Ill Esquema da placa de c 107 108 Anexo IV Layout da placa de circuito impresso desenvolvida Bottom Layer 110 Anexo V Layout da placa de circuito impresso desenvolvida Top Layer 111 112 Anexo VI Placa de Circuito Impresso em fase de constru o 113 114 Anexo VII Resultados Experimentais percurso em Benfica 38 750463 9 202770 1 2438 0 0000 0 0121 0 0000 12 7300 38 750423 9 202643 1 1941 360 0 0000 0 0171 0 0000 12 5900 115 38 750388 12 2000 38 750403 12 2100 38 750422 12 1700 38 750432 12 1700 38 750442 12 1300 38 750460 12 4000 38 750470 4 nana ann A nana A Amas A Ana 44 AAAA 116 360 38 748485 360 38 748638 360 38 748928 360 38 749057 360 38 749157 360 38 749307 360 38 748793 9 191075 0 6772 360 0 0000 0 0466 0 0000 11 4000 38 749457 9 191038 0 8243 360 0 0000 0 0591 0 0000 11 7500 38 749607 9 191023 0 7759 360 0 0000 0 0615 0 0000 11 7900 38 749757 9 191008 0 8251 360 0 0000 0 0418 0 0000 11 9300 38 748965 360 38 749155 360 38 749200 360 38 749225 360 38 749273 360 38 749337 360 38 749353 360 360 38 748693 9 191277 0 8495 360 0 0000 0 0467 0 0000 11 9600 38 749070 9 191353 1 0192 360 0 0000 0 0615 0 0000 11 8100 38 749125 9 191267 0 8987 360 0 0000 0 0591 0 0000 12 0700 117 38 751298 38 751328 38 751397 38 751432 38 751455 11 8400 38 751508 14 8000 38 751538 11 7300 38 75162
42. 3 1 apresentam se as v rias possibilidades com os par metros mais relevantes de cada um dos modelos Tabela 3 1 Caracter sticas de v rios Microcontroladores 16 CPU 8 Program Data io ADC Modelo Pre o Speed 16 FLASH RAM Pane 12 UART SPI I2C Pacote MIPS Bits Kbytes bytes bit PIC24FJ128GA006 3 99 16 16 128 8192 54 0 2 2 2 64 TQFP PIC24FJ64GA006 3 33 16 16 64 8192 54 0 2 2 2 64 TQFP PIC18F67J11 3 50 8 128 3930 52 0 2 1 2 64 TQFP 40 PDIP dsPIC30F4013 5 12 30 16 48 2048 30 13 2 1 1 44 QFN 44 TQFP dsPIC33 100 FJ256GP710 7 66 40 16 256 30720 85 32 2 2 2 TOEP Observada a Tabela 3 1 a escolha recai sobre o dsPIC30F4013 essencialmente devido a dois aspectos disponibilidade em pacote PDIP Plastic Dual Inline Package o que torna a fase de desenvolvimento e teste bastante facilitada pois pode se implementar o circuito numa bread board e assim realizar os ensaios necess rios possibilidade de utiliza o do conversor anal gico digital no modo de 12 Bits Note se que sendo o objectivo deste trabalho a concep o de um dispositivo port til seria natural que a escolha passasse tamb m pelo estudo da pot ncia consumida Contudo este elemento n o foi tido em conta pois o valor da pot ncia n o varia muito com o modelo mas sim com a frequ ncia utilizada 1 MIPS Do acr nimo do ingles Millions of Instructions Per Second 1
43. 30 poss vel verificar que a corrente que se fecha pela carga V I 1 I 1 1 e 1 3 38 Nas caracter sticas dos pain is solares apresenta se sempre valores para as situa es de curto circuito e circuito aberto Ser importante portanto analisar esses dois pontos de funcionamento da c lula Quando acontece um curto circuito exterior fica se com 3 39 O valor de lcc assim o valor de corrente maximo na carga sendo uma das especifica es apresentadas nas caracter sticas dos pain is Em circuito aberto tem se que 3 40 A tens o a tens o m xima aos terminais da c lula sendo outra caracter stica muito importante da c lula Vr KT q onde K a constante de Boltzman K 1 38x1 o J K T a temperatura absoluta da c lula 25 C ou 298 16 K e q a carga de um electr o em Coulomb q 1 6x 10 C 58 Posto isto sera interessante falar em pot ncia el ctrica e rendimento A pot ncia el ctrica dada por 2 P VI V Ioc I e 1 3 41 e o rendimento dado por 2 Prax 3 42 ARAG onde A corresponde a area da c lula e G a radiac o solar incidente Os pain is fotovoltaicos apresentam uma caracter stica de pot ncia semelhante ao apresentado na Figura 3 31 Zona onde a pot ncia produzida m xima Corrente A o co O D 0 4 0 2 0 D 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 Tens o 4 Figura 3 31 Caracter stica de pot ncia de
44. 4 Elemento T rmico Processamento O a O Vo Sensor Figura 3 8 Condicionamento de sinal necess rio ao funcionamento do sensor TGS4169 Al Amplificador de Instrumenta o sensor TGS4160 da Figaro Neste projecto como foi dito anteriormente foi utilizado um sensor da Alphasense que devolve uma tens o proporcional concentra o Contudo como o sistema de medida necessita de ter uma imped ncia quanto maior poss vel idealmente infinita utilizou se um Amplificador de Instrumenta o para realizar o circuito e amplificar o sinal Pode se observar na Figura 3 9 um esquem tico exemplificativo da montagem utilizada O amplificador de instrumenta o Al tem a mesma fun o de um amplificador diferencial com a vantagem de ter as suas entradas em alta imped ncia e o ganho do amplificador ser comandado por uma nica resist ncia Um Al tem genericamente tr s ampops e resist ncias O esquema exemplificativo deste circuito pode ser observado na Figura 3 9 e Figura 3 10 Sensor co e I Al Vout i eo 5V Figura 3 9 Condicionamento de sinal para o sensor de CO da Alphasense 25 Figura 3 10 Esquema de um Amplificador de Instrumenta o O ganho da montagem da Figura 3 10 determinado exclusivamente pela resist ncia R4 Esta montagem tem a particularidade de poder ser adicionada u
45. 6 3 3 Medi o da Temperatura Neste projecto o conhecimento da temperatura essencial n o s para se poder disponibilizar essa informa o como tamb m para corrigir os valores devolvidos pelos sensores devido sua depend ncia com esta Uma outra fun o dos sensores de temperatura controlar a temperatura dentro da caixa Com o aux lio de uma ventoinha e do sensor de temperatura no interior da caixa poss vel realizar essa fun o H sensores de temperatura digitais s rie e anal gicos Uma vez que se utilzam os ADCs para outras medi es e dado que o microcontrolador apresenta ainda diversas portas deste tipo dispon veis expandiu se o mesmo crit rio aos sensores de temperatura nomeadamente utiliza o de um sensor anal gico Como tal a escolha recaiu sobre um modelo anal gico da Microchip 3 3 1 Caracter sticas do sensor de temperatura Utilizou se o sensor MCP9701A da Microchip num pacote TO 92 como o apresentado na Figura 3 3 Este sensor devolve uma tens o proporcional temperatura 3 Pin TO 92 MCP9700 9701 Only 123 Bottom View 1 Voo Vout GND Figura 3 3 Exemplo gen rico do tipo de sensor utilizado 22 O sensor utilizado tem uma exactid o de 2 C garantida no seu intervalo maximo de funcionamento Contudo para a gama de temperaturas que se espera obter entre os 0 e os 50 C a exactid o melhora para 0 5 C Funciona numa escala de temperatura desde os 40 C e os 125
46. 6 1945 Flags 0404 Don t Fragment 1946 Fragment offset O B is Time to live 52 1948 S Protocol TCP 0406 1949 amp SE Header checksum 0x81a1 correct 1950 Source 87 103 108 19 87 103 108 13 EEE PE Destination 193 136 130 65 193 136 130 65 1952 Transmission Control Protocol Src Port 1024 1024 Dst Port hi 1953 P Source port 1024 1024 1358 S Destination port http 80 1955 Sequence number 9718 relative sequence number lt Nent sequence number 9988 relative sequence number Acknowledgement number 1 relative ack number RE PE Header length 32 bytes 0010 Flags 0x0018 PSH ACK 0020 Window size 5200 ERE Checksum Ox8aa6 correct pet 0050 amp 9 Options 12 bytes here TCP segment data 270 bytes 0070 di Y Reassembled TCP Segments 9987 bytes 1863 177 1866 51 0080 E Y Hypertext Transfer Protocol 0090 amp SE POST ms add php HTTP 1 1Wn Be Host acetfcpci 1 istutl pt 80 r n Era Connection Keep Alive rin 0000 User Agent MC75 4 1 rin O0E0 Content Length 9810 r n OOFO Content Typai spplication a wew torm urlencodad an o Ma 0120 Y Line based text data application x www form urlencoded 0130 50 20 20 75 63 65 43 20 SF es 72 DA 33 37 37 38 20 31 34 33 4F 48 61 74 74 oD 37 4c 6E 63 6D 61 38 20 31 34 33 30 34 33 53 54 63 sc 69 DA 35 65 74 61 20 61 34 33 30 34 33 30 32 35 54 54 65 2E oF 55 2F 6
47. 8 1 7000 38 751698 11 7600 38 751755 11 7200 38 751822 11 7900 38 751908 11 710 38 752003 11 7200 1 7200 17 8000 38 752287 11 6600 38 752332 11 6400 38 752348 11 6800 38 752382 38 750669 9 199631 0 99489 0 00000 0 03205 0 00000 38 751585 9 203998 0 6545 0 0000 0 0690 0 0000 11 8600 Valores de concentra o do Di xido de Carbono s o apenas te ricos 118 Anexo VIII Resultados Experimentais percurso em Benfica TOA o Ie 2 Pi y MV A CP IeUIoay Jog 119 120 Anexo IX Manual de Instru es 121
48. E 6s 74 75 30 35 33 30 32 33 30 36 20 20 so 74 70 6E 73 34 67 6E 69 72 30 31 35 34 38 20 31 36 39 2F 2F 66 74 3A 65 2E 74 74 SF sc 30 34 20 31 32 39 36 33 37 6D 73 2F 61 64 31 2E 31 0D 0A 63 70 63 31 31 3A 38 30 00 04 20 4B 65 65 70 72 2D 41 67 65 31 0D DA 43 6F 68 3A 20 39 38 20 54 79 70 65 6E 2F 78 2D 77 65 GE 63 6F 64 33 32 35 33 32 34 37 30 30 39 39 36 35 20 38 31 35 38 32 33 32 30 30 39 30 37 34 20 39 33 38 37 32 33 31 30 30 39 30 38 30 20 39 35 37 64 2E 48 GF 2E 69 43 6F 6E 74 6E 74 31 30 3A 61 77 77 65 64 34 30 31 32 30 37 38 32 31 31 32 31 31 30 70 68 70 POST ms add php 73 74 3A HTTP 1 1 Host 73 74 2E acetfcpc11 ist 6E 6E 65 utl pt 80 Conne 6c 6976 ction Keep aliv 3A 20 4D User Agent M 65 6E 74 C75 4 1 Content 0D 0A 43 Length 9810 70 70 6C ontent Type appl e 20 66 6F ication x ww fo OD 0A OD rm urlencoded 313038 aa 003253240108 34 32 35 3845144700912425 313032 7 335 965 882102 34 30 33 7100411582307403 37 3933 8442822009082793 30 39 31 333 974 9311091 38 33 38 1000168723103838 393120 442663009082191 363331 335 970 95710631 Figura 4 5 Imagem do ambiente do programa Packetyzer Analisando os dados disponibilizados na Figura 4 5 observamos que na zona A est o representadas todas as comunica es com o servidor assinalando se a azul a comunica o feita pelo modem da esta o aquando do envio de dados
49. Esta tens o segundo a equa o de Nernst pode ser medida pela for a electromotora EMF A equa o de Nernst representa a rela o quantitativa que permite calcular diferen a de potencial entre um metal e a solu o de seus i es ou seja de um el ctrodo A EMF resulta da reac o qu mica total 3 6 e definida como EMF mV E R T 2 F In P CO 3 7 onde Ec a constante de volume R a constante do volume do g s T a temperatura absoluta F a constante de Faraday e P CO a press o parcial de CO Para obter dados da concentra o do g s a ser medido o sensor requer um aquecimento durante um certo tempo logo tem que haver um sistema electr nico adequado Depois de aquecido o sensor devolve durante um determinado tempo um valor relativamente est vel da concentra o de CO 3 4 1 3 Condicionamento de Sinal Para o bom financiamento do sensor apresentado no cap tulo anterior tanto a n vel da exactid o da medida como tamb m para a protecc o do sensor o condicionamento de sinal tem uma enorme import ncia A c lula sens vel do sensor tem uma imped ncia interna muito alta Como tal um circuito de leitura com uma imped ncia baixa pode resultar numa leitura errada e na degradac o do sensor Logo a leitura do sensor realizado utilizando um circuito com alta imped ncia de entrada Para tal pode ser utilizado um ampop numa montagem de amplificador seguidor como demonstra a Figura 3 8 2
50. Global Positioning System ainda apresentado o m dulo de alimenta o O quarto cap tulo dedicado an lise dos algoritmos considerados no desenvolvimento do software para a esta o m vel e para o servidor de Internet A visualiza o dos dados e a interac o com o utilizador s o tamb m referidos O quinto cap tulo apresenta os modos de liga o dos v rios constituintes nomeadamente na fase de teste e na fase final O sexto cap tulo refere o modo de constru o da base exterior No s timo cap tulo faz se uma an lise do consumo el ctrico da esta o sendo apresentado valores descriminados para cada componente No Oitavo cap tulo apresentam se os resultados experimentais e faz se uma compara o com valores obtidos por entidades oficiais No nono cap tulo descrevem se todos os custos associados ao desenvolvimento da esta o No d cimo cap tulo s o citadas as principais limita es e poss veis melhorias que podem ser adoptadas futuramente para o aperfei oamento da esta o m vel Por fim na conclus o s o apresentadas algumas reflex es acerca do trabalho desenvolvido 2 Atmosfera De um modo geral pode se definir atmosfera como uma pelicula gasosa muito fina onde ocorrem todos os fen menos meteorol gicos que condicionam a nossa exist ncia Povoada por uma grande diversidade de mol culas desempenha ao mesmo tempo um papel protector e regulador 3 O nosso planeta possui atmosfera porque
51. Incrementa tempo i Inicio ii Inactivo i i i l 1 1 l l i 1 x Configura o i H 1 empo O Sim inactive lt 5 i i 1 1 i y 1 i I 1 N o 1 Iniciar Contador H i i y I de Temperatura I i l Desliga todo o 1 1 l sistema e i 1 an entra em modo i i i y I i 1 e 1 1 l Iniciar Leitura 1 Posi o 1 i 0 GPS 1 Hora e Data 1 1 Nao 1 i l l 1 I l H 1 1 l i eS en nn H movimento l Leitura GPS Espera im I l i 1 Si T 4 im i i De 1 1 Reinicia tempo T inactivo N I i Reinicia tempo He as Ligar M dulo i GPRS Tentativas 0 Macro Tempo CD Cola gt sg V lida An N o e Configura o do GPRS A min 1 le Configura o do Servi o a i i de Internet N o l l po N o Reinicia tempo i Nao i inactivo N o f X 1 Tentativast 1 1 Tempo de 1 espera gt 1m 1 1 I i i o 1 1 I i Desligar ventoinha Configura o gt N o lt CTentativas gt 2 gt 1 Sim de arrefecimento OK Dist ncia entre Macro Tempo sim i y Amostras Inactive 1 V lida Ler Temperatura 4 Envio de Dados l dentro da Caixa i N Sim Luso I 1 Sim N o l y 1 l Reiniciar Contador 1 e Le ura dos Sensores Basen 1 l e Juntar Leitura dos sensores cla 1 I com Hora e Posi o N Temperatura gt 40 I G
52. Na Figura 3 11 a apresenta se um exemplo desse tipo de sensores onde se visualizam os contactos e sua disposi o e em b apresenta se um esquem tico deste sensor onde se observa n o s a disposi o dos el ctrodos como tamb m de todos os elementos que constituem o sensor Barreira de difus o El ctrodo do G s _ de El ctrodo Trabalho de 4 refer ncia El ctrodo de Trabalho ER El ctrodo de contagem A El ctrodo Filtros A de de Refer ncia E CARBON MONON Qe CO BF 1234561 agua HNN see AAA es RS De Contagem Pino de localizagao a Reservatorio Electrolitico Figura 3 11 Exemplo gen rico de um sensor amperim trico a e esquem tico b Estes sensores possuem tr s el ctrodos s o eles el ctrodo de trabalho refer ncia e de contagem Cada um deles apresenta uma fun o espec fica segundo 5 Todos os el ctrodos possuem uma composi o id ntica ao el ctrodo de trabalho e est o dispostos de forma paralela entre eles como se compreende da Figura 3 11 b 28 Nos el ctrodos de trabalho e contagem ocorrem reac es qu micas geralmente reac es balanceadas ou seja quando se verifica num dos el ctrodos uma oxida o no outro d se uma redu o O el ctrodo de trabalho Worker foi desenhado para optimizar as reac es de oxida o ou redu o para com o g s a ser medido Este el ctrodo permite que o g s entre e fique em contacto com ambos
53. O AR E FONTES POLUIDORAS ccccsscesceseseseceecescseescecsseeeesececnececneeecneesceeeaeeeeaees 5 2 2 CONSEQU NCIAS DA POLUI O ccccccccccsscesscccssecsssesececsssseccssssessusesescesssessssessscesssesusceseeceas 6 2 21 Eleito de ESTA sr se cmi Ad sea ES te e Beth adden da RS ele lien 6 2 2 2 Acidifica o Chuvas cidas ana 6 2 2 3 Redu o da Camada de OZONO A eececcsssseesesseseseeseseeseeeseeeeseeecaeecaenecaeeseaeeaeeesaeeeeaeeees 7 2 3 ORIGEM E CONSEQU NCIAS DE CADA POLUENTE cssescssescssescseeecseeseseeaeeeaeeecneeecnsesensenentens 9 2 3 1 Di xido de Carbono CO a ronn nr ETa aeee ranas 9 2 3 2 Di xido de Enxofre SO ce ceecccsesessesesseseeeeseseeseeecceeceseecesesceseecesecaesecseeecaeeaeseeaeeeaeeeeaeeees 9 2 3 3 Mon xido de Carbono C O irira aeaa E N EA AANEEN 9 23 4 Di xido de AZOO NO Joc ii in dia 10 LIO OZONO LO it a des AN tS A di a 10 2 3 6 Part culas em Suspens o PM 0 eee eee eee 10 2 4 MEDIDAS LEGISLATIVAS sanken cada dus sala cia N to pci ken as 11 3 CONSTITUI O DA ESTA O HARDWARE sssssssssssssecssssnsesscssscsnccsscsnscssssnsessseeseess 13 3 1 PRINCIPIO GERAL DE FUNCIONAMENTO DA ESTA O M VEL 13 3 2 UNIDADE DE CONTROLO DA ESTA O sessessssescseescssescnsesenesseeeaescaeeecneecaseecneeseneeaeeesaeeeenees 15 3 2 1 Microcontrolador Program vel eeeeenensnensenesenennenennennennnnnne nenn 15 3 2 2 Escolh
54. S 3 5 1 Breve introdu o ao GPRS e suas utilidades O GPRS uma tecnologia que tem a capacidade de aumentar as taxas de transfer ncia de dados utilizando a rede de GSM existente Esta tecnologia transfere os dados por pacotes o que faz aumentar n o s a velocidade que idealmente pode chegar aos 170 Kbps como tamb m considerada mais vi vel em termos econ micos pois n o necessita manter o servi o slot de tempo permanentemente ocupado como acontece nas chamadas de voz Neste caso o servi o s atribu do ao utilizador quando necess rio enviar ou receber dados Desta forma poss vel partilhar recursos entre os v rios utilizadores aumentando assim a capacidade da rede o que leva a servi os mais econ micos para o utilizador Assim o utilizador pode estar sempre activo e pagar s quando realmente utiliza o servi o Uma vez que o GPRS suporta as comunicac es do protocolo TCP IP poss vel utilizar os protocolos de Internet de mais alto n vel como o http ftp smtp etc Dito isto ser interessante falar em protocolos de comunicac o Estes implementam a pilha de protocolos sobre o qual a Internet e a maioria dos servicos funcionam Um protocolo de comunica o n o mais do que um conjunto de regras e conven es necess rias para a comunica o entre computadores O protocolo TCP IP pode ser visto como um grupo de camadas onde cada uma resolve um conjunto de problemas devolvendo camada acima um ser
55. Tabela 3 9 Caracter sticas da mem ria utilizada ese 51 Tabela 3 10 Rendimento el ctrico de v rios tipos de c lulas 12 56 Tabela 3 11 Caracter sticas dos pain is fotovoltaicos STC 60 Tabela 3 12 Caracter sticas do Regulador Solar Solsum 5 0 11 64 Tabela 7 1 Consumo instant neo discriminado de cada componente 89 Tabela 8 1 Concentra o de cada Poluente na zona de Benfica Portugal 91 Tabela 9 1 Custo discriminado de cada componente a 93 xii 1 Introdugao 1 1 Motiva o e Objectivos Com a grande mediatiza o em torno do aquecimento global e das constantes descargas de gases poluentes efectuadas pelo homem tornou se preponderante saber de forma exacta e f cil o estado da qualidade do ar que respiramos diariamente Mais ainda quando se sabe que a polui o atmosf rica nos humanos afecta essencialmente o sistema respirat rio podendo agravar ou at provocar doen as de cr nicas como a asma bronquite cr nica infec es nos pulm es cancro do pulm o entre outros Com a evolu o da medicina e dos in meros estudos efectuados a popula o em geral est cada vez mais e melhor informada destes malef cios como tal a preocupa o com o ar que respiramos aumenta assim como a curiosidade e vontade de saber as pio
56. a Mata At ntica 2002 16 Microchip http www microchip com 17 Microchip 25LC1024 1Mbit SPI Bus Serial EEPROM Arizona USA 9 de Outubro de 2007 18 Emanuel G B C Martins Electr nica III Universidade de Coimbra Dezembro de 2006 19 Alphasense www alphasense com alphasense sensor html 20 Cristian Voit Air Quality Sensor Elektor Electronics USA Novembro de 2004 21 Converse Tim Park Joyce Morgan Clark PHP5 and MySQL Bible Wiley Publishing Inc Indianapolis 2004 22 Microchip MCP9700 9701A Low Power Linear Active Thermistor Arizona USA 10 de Maio de 2007 99 100 13 Anexos 101 102 Anexo Terminal GSM GPRS Siemens TC65 TC65 Terminal Succeed with Java The TC65 Terminal with Java technology is the missing link between M2M applications and the world of IP based services involving GSM GPRS communication Having the latest version of IMP 2 0 embedded in it the TC65 Terminal offers a complete software development platform with which to create licence free hardware independent applications The new standard provides control of M2M applications and enables user friendly over the air software updates OTA for reliable e maintenance and secure data transmission using https and PKI encryption The variety of industrial interfaces and the plug amp play functionality included allow quick and easy implementation With its extended temperature
57. a do Microcontrolador enensenensenenseneesenennnnnenneneenenen nenn 16 3 3 MEDI O DA TEMPERATURA ueneesensensessnensenennennnensnennenensnennenensnssnennsensnenensensnennsenenanenn 17 3 3 1 Caracter sticas do sensor de temperatura ienes 17 vii 3 3 2 Princ pio de Funcionamento eee eseeseeseseeestessucessesecuecaseeesecasesseseceessensens 18 3 3 9 Esquema de NGAGE ss tesi illes adda tiatebaalantetalieitbatelevvensaes 19 3 3 4 Custo e m todo de aquisi o uaisa aeaee ei e a eai aiiai 19 3 4 MEDI O DOS POLUENTES SENSORES ccccscssessescsseseseeseeeeseeeeseeceeecneeecneeseeeeaeeeeaeeeenees 20 3 4 1 Sensor de Di xido de Carbono eeeenneneeneenenennenenne nen 20 3 4 2 Sensor de CO NO SO Ozren niui daa nda a a diee i e ee 28 3 5 SISTEMA DE TRANSMISS O DE DADOS MODULO GSM GPRS nsere 41 3 5 1 Breve introdu o ao GPRS e suas utilidades 41 3 5 2 Servico de Internet utiliza dO iusti aea a e i E 43 3 5 3 Escolha do M dulo de GSWGPRS neennnnnnenennnnsnnne nenn 45 S9 4 Problemas 6 SO U ES rero cassie en erases nah a Ganda DATE os ag a Cada 45 3 5 5 Custo e m todo de aquisi o do Terminal GSW GPRS nennen 46 3 9 0 ESQUEMA de EIg8C20 Ariane nie aaa RSS 46 3 6 SISTEMA DE LOCALIZA O M DULO GPS uu cceccecssessecssessececesececesscessesscesseesesseesteaes 47 3 06 14 Breve introdu o TO GPS
58. a grande quantidade de dados e garantir a sua manuten o em caso de falta de energia utilizou se uma mem ria Como tal recorreu se a uma EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory pois apresenta uma capacidade de armazenamento n o vol til ou seja n o perde os dados quando lhe retirado a energia 3 7 1 Caracter sticas da memoria A mem ria utilizada tem 1024 Kbit dispon veis interface por SPI Serial Peripheral Interface Bus e um consumo baixo no m ximo 7 mA a uma tens o de alimenta o de 5 5 V e a um funcionamento de 20 Mhz Uma vez que a velocidade de escrita n o um factor determinante pode se baixar a frequ ncia de escrita e assim diminuir ainda mais o consumo Na Tabela 3 9 pode se observar as principais caracter sticas Tabela 3 9 Caracter sticas da mem ria utilizada Mem ria 25LC1024 Tens o Alimenta o 2 5a5 5V Max Corrente Escrita 5 5V 20MHz 5mA Max Corrente Leitura 5 5V 20MHz 7mA Max Freq Rel gio 20MHz Velocidade Escrita 5ms Capacidade 1024Kbit Resist ncia 1 000 000 ciclos escrita por p gina Temperatura 40 C to 85 C 3 7 2 Principio de funcionamento Esta mem ria est desenhada para se conectar directamente com o m dulo SPI de um microcontrolador como se pode observar na Figura 3 25 Esta interface usa um pino de rel gio para sincronismo SCK da Figura 3 25 um pino para envio de dados SDO e um pino para rece
59. a obter o zero da concentra o nos 4 mA e o maximo da concentra o nos 20 mA Posto isto realizou se um circuito de medi o da corrente consumida O esquem tico desse circuito pode ser visualizado na Figura 3 13 PL2 500 0 01 1 NOOO 0 V 9V Vx 2 e Figura 3 13 Esquematico do conversor de corrente para tens o Al Amplificador de Instrumenta o PL2 Conector A sa da do circuito da Figura 3 12 e a entrada do circuito Figura 3 13 s o ambas no mesmo ponto PL1 e PL2 respectivamente Assim torna se necess rio proceder a uma montagem capaz de medir a corrente consumida pelo sensor A resposta um amplificador de instrumentac o Al com uma resist ncia de precis o aos seus terminais como demonstra a Figura 3 13 importante o uso de um Al porque a tens o de modo comum alta 9 V e tamb m porque se pretende uma imped ncia de entrada elevada para n o perturbar os 50 Q A tens o de sa da do amplificador de instrumenta o dado por 3 16 onde e representam as entradas do amplificador de instrumenta o e A o ganho em malha aberta 31 Por seu lado a corrente que atravessa a resist ncia dada por p I 3 17 ES 617 onde R tem o valor de 50 Q Fixando a tens o V V a 9 V e recordando que o valor de corrente m ximo de 20 mA vem de 3 16 que V n o ser menor que 8 V Tendo em conta que os limites do ADC s o de 0 e 5 V define se para o ganho do
60. a um tempo inferior a 60 s Tabela 3 4 Caracter sticas do sensor de Di xido de Enxofre 19 Sensor Di xido de Enxofre SOs BF Limites 20 PPM Performance Tempo de Resposta lt 30s Resolu o lt 0 1 PPM Zero Concentra o zero lt 0 5 o Ambiente Temperatura eo SS Limites 30 a 50 Limites de Press o kPa 80 a 120 Atendendo aos limites deste sensor e segundo 3 20 0 99 gt O PPM 4 95V gt 20 PPM Finalmente segundo 3 20 e 3 22 fica se com X PPM 5 051 V 5 ut 3 25 3 26 Na Figura 3 15 representada a depend ncia do sensor de di xido de enxofre temperatura 35 Depend ncia da temperatura do sensor de dioxido de enxofre 104 y 1 4712 006 x4 7 359e 005 x 0 00284 x 0 2779 x 95 74 102 100 98 Curva Real 96 A Interpolac o Sensibilidade 94 92 90 39 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Temperatura C Figura 3 15 Curva real com os dados do fabricante e respectiva interpola o Usando uma interpola o dos dados do gr fico da sensibilidade em fun o da temperatura Figura 3 15 poss vel obter a equa o que quantifica a respectiva depend ncia y 1 471x10 x 7 359x 10 x 2 84 10 x 2 779x10 x 95 74 3 27 Sabendo que x representa a temperatura usando 3 26 fica se com a express o final 3 28 de onde se retira a concentra o do di xido de Enxofre X PPM 5
61. alquer liga o ou apoio tal como ilustra a Figura 6 3 Figura 6 3 Exemplo de montagem da esta o 88 7 Consumo de Pot ncia El ctrica Para o c lculo do consumo el ctrico da esta o utilizaram se os dados dos fabricantes ou resultados experimentais consoante o componente em quest o Apresenta se na Tabela 7 1 o consumo discriminado de cada componente utilizando se os valores t picos e m ximos de cada um Tabela 7 1 Consumo instant neo discriminado de cada componente Consumo de Energia Te rico Componente q Corrente mA Pot ncia mW Tens o T pica M xima T pica M xima Microcontrolador 5 2 38a 10 155 Receptor GPS 12 33 40 396 480 Rel s 5 11 11 55 55 Al 5 5 2 1 3 25 10 5 15 75 DC DC 5 3 2 5 16 25 MAX232 5 8 10 40 50 Memoria 5 7 10 35 50 Sensores 4 9 20 24 180 216 Controlador de Carga 12 4 4 48 48 Terminal GSM GPRS 12 0 5 330 6 2076 Quando a estac o est em funcionamento normal todos os dispositivos est o activos com excepc o do terminal GSM GPRS e da mem ria Quando a estac o entra no modo de standby apenas o microcontrolador o controlador de carga e o conversor DC DC permanecessem em funcionamento e tudo o resto desligado Estima se que o terminal de GSM GPRS ir ligar 8 vezes por dia durante aproximadamente 1 minuto De seguida realizou se o c lculo da energia consumida durante um dia
62. ase do sensor feita de fibra de vidro Na parte exterior do sensor observa se uma cobertura de Polyamide refor ado As superf cies laterais do sensor s o revestidas com vidro e no topo deste sensor existe um filtro para prevenir a entrada de poeira e gua O disco condutor de Na tem um di metro de 7 mm e espessura de 0 7 mm este est preenchido com el ctrodos de ouro de ambos os lados Uma camada de carbonato de l tio adicionada no lado do c todo e depois calcinada a 600 C Uma fina camada de xido de Aluminio cer mico leva um elemento impresso de platina que vai servir de elemento t rmico e que adicionado ao lado do nodo Fios de platina ligam o elemento sens vel aos pinos de conex o na base do sensor Quando em funcionamento o sensor aquecido at cerca de 450 C pelo elemento t rmico da o grande consumo deste sensor Em cada uns dos el ctrodos deste sensor c todo e nodo ocorrem reac es qu micas O ponto de equil brio da reac o no c todo depende da concentra o parcial de CO e Oxig nio 05 A reac o no c todo do c todo pode ser escrita como 23 2Li CO Y 0 26 amp Li CO 3 4 e no anodo 2Na Y 0 2e gt Na O 3 5 De 3 4 e 3 5 retira se a reac o qu mica total 2Na Li CO S Na 0 2Li CO 3 6 Cada reac o causa uma concentra o particular de carga no el ctrodo correspondente A carga pode ser medida como uma tens o entre os dois el ctrodos
63. ceeeeseeseeseeseeseeseuecusescesecsecasesesecssesseecseesseneeas 72 4 1 2 Tratamento dos Dados Obtidos eee seeseee eects sesecuecaseeesecsseseeecseessenseas 74 4 1 3 Envio de dados HTTP e M todo POST tierra 75 4 1 4 Problemas SO U ES ssa te susto inter island anne Henn ida 76 viii 4 2 SERVIDOR ii lt alien asas SS 78 4 2 1 Equipamento e Software neneneensnsensnenensenseennensenenenssee nenne essen 78 4 2 2 Armazenamento dos Dados eee 79 4 2 3 Visualiza o dos DadoS ico ctra baratas 80 5 LIGA O DOS COMPONENTEG c sscsssssssesssssssssessesecssessnssessscsscsncesesanssecsucsecencesesaneneesnees 83 5 1 FASE DE TESTE nean En E an Bash sie chien ee ta cas dde gie 83 5 2 FASEFINAL us ii ea E isa 84 6 CONSTRU O DA BASE DE SUPORTE EXTERIOR cc scssssssssssssesssssesssesessscesesensseesnees 87 7 CONSUMO DE POT NCIA ELECTRICA W cccsccccsscscsscscssssessssessssessssessssesessssecesscessceessesssses 89 8 RESULTADOS EXPERIMENTAIG cscccssccsssscssccssssceccccsscsssecssscesccesccessccesssessccessecessees 91 9 CUSTO TOTAL DA ESTA O anna 93 10 LIMITA ES E MELHORIAS cuina tii 95 103412 LMC OE Saa a tet ee 95 10 2 MELAORIAS a a equi pesos 95 Mir CONCLUS O see ernennen 97 12 REFERENCIA Sai ORE 99 A NN 101 ANEXO TERMINAL GSM GPRS SIEMENS TC6D oooncccinoccnncconccnonananccinnocanaconnaconnocananonnccnnccnnnos 103 ANEXO II GPS GARMIN
64. colha do sensor de movimento teve se em conta essencialmente a sensibilidade do sensor visto que o sensor tem que detectar pequenas vibra es para ser totalmente vi vel Um outro factor muito importante o espa o ocupado pelo mesmo sensor 53 3 8 3 Esquema de ligagao do sensor de movimento ao microcontrolador De seguida apresenta se o esquema de liga o do sensor ao microcontrolador Utilizou se uma resist ncia de Pull Down para impor o n vel l gico 0 quando h vibra o ou seja quando o sensor fica em circuito aberto como se observa na Figura 3 27 Ao nivel do microcontrolador utilizou se uma porta digital que suporta interrup es ou seja sempre que h uma mudan a de n vel l gico na entrada do microcontrolador este executa o c digo correspondente rotina de interrup o que est associada a esta porta VDD E a sv h 7 man 2 Com Vibra o R 10K E N vel l gico O VDD ss a SE 7 emo 2 Sem Vibra o R 10K i lee Nivel l gico 1 Figura 3 27 Esquema de liga o do sensor ao microcontrolador 3 8 4 Custo e m todo de aquisi o O sensor foi adquirido numa empresa de venda de componentes electr nicos RSAMIDATA e custou 4 54 54 3 9 Alimentagao Ao nivel da alimenta o pretende se que a esta o seja completamente aut noma Para tal utilizou se um sistema fotovoltaico Este sistema constitu do por dois pain is fotov
65. como o Siemens MC35i o Fargo Maestro 20 o Fargo Maestro 100 e o Telit GT 64 Destas propostas as duas primeiras MC35i e Maestro 100 foram imediatamente descartadas por n o possu rem pilha de TFC IP o Fargo Maestro 100 possui todos as caracter sticas necess rias mas apresenta um custo superior ao modelo da Siemens escolhido Por fim o Telit GT 64 que tamb m possui todas as caracter sticas necess rias com um pre o igual tem a desvantagem de ser um produto mais dif cil encontrar no mercado al m de ser produzido por um fabricante quase desconhecido pelo que n o merece total confian a 3 5 4 Problemas e Solu es No desenvolvimento deste trabalho houve alguma dificuldade nos primeiros momentos na compreens o do funcionamento deste m dulo principalmente em interpretar correctamente as respostas do modem em cada situa o Ora a compreens o do seu funcionamento era essencial visto que o microcontrolador numa fase posterior teria que ser programado para reconhecer cada uma dessas respostas Para combater esta dificuldade criou se um pequeno programa em Visual Basic para comunicar com o m dulo de GSM GPRS utilizando as portas RS232 de um computador pessoal 45 3 5 5 Custo e m todo de aquisi o do Terminal GSM GPRS O terminal custou 195 e foi adquirido atrav s de um distribuidor de equipamentos electr nicos a Farnell 3 5 6 Esquema de Liga o Na Figura 3 21 poss vel observar o esquema de
66. consequ ncias bastantes graves na fauna e na flora levando mesmo a morte de alguns animais e plantas Mesmo o ser humano pode ser afectado revelando se principalmente ao nivel de sintomas respirat rios Outro efeito preocupante das chuvas cidas a corros o dos edif cios e de alguns monumentos hist ricos 2 2 3 Redu o da Camada de Ozono A camada de Ozono um componente natural da alta atmosfera Esta camada fundamental porque protege a vida na Terra das radia es solares mais nocivas O Ozono forma se sobretudo entre os 20 e 30 km de altitude onde as radia es solares dissociam a parte das mol culas de Oxig nio gasoso em tomos que reagem com outras mol culas de Oxig nio para formar o Ozono Inst vel este reage de novo com o Oxig nio presente no meio A camada de Ozono resulta do equil brio destas reac es Segundo 3 foi em 1985 que se descobriu um buraco ou seja uma redu o significativa da espessura da camada de Ozono por cima do Ant rctico Durante o Inverno polar forma se um turbilh o de ar na Estratosfera que isola a atmosfera ant rctica do resto do hemisf rio sul A temperatura da Estratosfera pode descer at aos 85 C o que leva a forma o de nuvens de gelo Essas nuvens polares fixam o Cloro presente na Estratosfera em forma de cido clor drico e de nitrato de Cloro Na Primavera austral quando regressa o Sol a sua radia o provoca a dissocia o do Cloro por reac o fotoqu m
67. controlador E ADC MICROCHIP dsPICS0F4013 UART 2 MAX 15 GSMIGPRS Rx as A 17 19 UART 1 SPI Interrup o 20 Figura 3 38 Esquem tico de liga o dos varios m dulos 70 4 Software O software desenvolvido no ambito deste projecto divide se em duas partes principais a Esta o e o Servidor Ao n vel da esta o todo o software foi desenvolvido para o microcontrolador program vel Este software foi desenvolvido em linguagem C utilizando o ambiente de trabalho MPLAB Ao n vel do servidor desenvolveu se software para trabalhar com o servidor de Internet e com a base de dados utilizando se as linguagens HTML PHP e SQL O HTML uma linguagem de marca o desenvolvida para criar p ginas da Internet PHP uma linguagem de programa o a ser interpretada por um descodificador e serve essencialmente para gerar conte dos din micos nas p ginas Web O PHP tamb m utilizado para comunicar com bases de dados utilizando SQL que uma linguagem virada unicamente para a gest o de base de dados Linguagem de Marca o uma linguagem onde adicionado um conjunto de c digos a um texto de forma a caracterizar lo 71 4 1 Esta o 4 1 1 Principio de funcionamento Na Figura 4 1 apresenta se um fluxograma com o funcionamento geral da esta o pi a I
68. da e sem protec o radia o UV causa anomalias nos seres vivos podendo levar ao aparecimento de cancro da pele deforma es atrofia e cegueira cataratas assim como diminui o das defesas imunol gicas favorecendo o aparecimento de doen as infecciosas que em casos extremos podem levar morte A radia o UV excessiva pode tamb m diminuir a taxa de crescimento de plantas e aumentar a degrada o de pl sticos assim como aumentar a produ o de Ozono troposf rico e afectar ecossistemas terrestres e aqu ticos alterando o crescimento as cadeias alimentares e os ciclos bioqu micos 2 3 Origem e consequ ncias de cada poluente Como menciona 1 a comunidade Europeia tem vindo a dedicar particular aten o ao problema da concentra o dos poluentes mais representativos como o mon xido de Carbono CO o di xido de Azoto NO2 o di xido de Enxofre SO o Ozono Oz e as part culas PM o O di xido de Carbono CO2 apesar de n o ser um poluente tamb m se monitorizou pois este g s tem uma grande import ncia na vida terrestre 2 3 1 Di xido de Carbono CO O di xido de Carbono um g s essencial vida no planeta visto ser um dos compostos mais importantes na realiza o da fotoss ntese Este processo realizado pelos organismos fotossintetizantes que transformam a energia solar em energia qu mica A concentra o do di xido de Carbono tem vindo a aumentar devido essencialmente queima d
69. de 1 805 45 85 mm long 0 327 8 31 mm high 1 5 1 2 Weight e GPS15H 0 53 oz 15 0 g e GPSISL 0 50 oz 14 1 g 1 5 1 3 Available Connector Options e GPS 15H F GPS 15L F 8 pin LIF connector 1 millimeter pitch e GPS 15H W GPS 15L W 8 pin JST connector 1 millimeter pitch mating wire harness included NOTE available in Asia or by special order 1 5 2 Electrical Characteristics 1 5 2 1 Input Voltage e GPS 15H 8 0 Vdc to 40 Vdc unregulated e GPSISL 3 3 Vde to 5 4 Vde 100 mV 1 5 2 2 Input Current e GPS 15H 60 mA peak 50 mA nominal 8 0 Vdc 40 mA peak 33 mA nominal 12 Vdc 15 mA peak 12 mA nominal 40 Vdc e GPS 15L 100 mA peak 85 mA nominal 3 3 to 5 0 Vdc 1 5 2 3 GPS Receiver Sensitivity e 165 dBW minimum 105 1 5 3 GPS Performance 1 5 3 1 Receiver e WAAS enabled 12 parallel channel GPS receiver continuously tracks and uses up to 12 satellites up to 11 with PPS active to compute and update your position 1 5 3 2 Acquisition Times e Reacquisition Less than 2 seconds e Warm Approximately 15 seconds all data known e Cold Approximately 45 seconds initial position time and almanac known ephemeris unknown e AutoLocate M 5 minutes almanac known initial position and time unknown e SkySearch 5 minutes no data known 1 5 3 3 Update Rate e 1 second default NMEA 0183 output interval configurable from 1 to 900 seconds in one second increments 1 5 3 4 Accurac
70. de funcionamento e a pot ncia m dia consumida pela estac o Para estes c lculos sup s se que a estac o ir estar em movimento aproximadamente 15h por dia e as 9h restantes ir estar em standby No modo normal de funcionamento a esta o consome 1044 75 mW consumo instant neo m ximo e em standby consome 174 mW 7 Valores determinados por resultados experimentais i Apenas liga quando o microcontrolador guarda dados ou seja durante alguns micro segundos M ximo esperado baseado na concentra o m xima esperada pois o valor de corrente proporcional ao valor de concentra o medido Apenas liga quando a esta o envia dados para o servidor ou seja depois de o ve culo percorrer uma dist ncia de 207 d onde d a distancia entre amostras Para um d 200m o terminal liga de 41km em 41km percorridos 89 A energia maxima de consumo ao longo do dia de E Wh Prom 15h P 9h Papas 8 60 h orm sta 7 1 E Wh 17 514Wh onde P eP teen 11 S o respectivamente a pot ncia consumida em modo normal de funcionamento e em modo de standby P pps a pot ncia consumida pelo terminal de GSM GPRS Fica se assim a saber que a esta o necessita de 17 514 Wh por dia A pot ncia m dia consumida pela esta o pode ser determinada por _ 1044 75 x15 174x9 2076x8 60 24 7 2 P P 729mW O consumo m dio de pot ncia da esta o ao longo de um dia utilizando os valores m ximos
71. dio Frequency Interference a interfer ncia causada por um receptor de r dio ou outro dispositivo electr nico com radia o electromagn tica emitida por uma fonte externa 48 Tabela 3 8 Caracter sticas do Receptor de GPS GPS 15H Servi o Descri o Reaquisi o lt 2s Tempo Quente 15s de Frio 45s Aquisi o Auto Localiza o 5m SkySherch 5m Precisao Posi o lt 15m Do GPS Velocidade 0 1 Knot Interface Port1 RS232 Temperatura Opera o 30 a 85 Desligado 40 a 85 Dimens es 35 56 x 45 85 x 8 31 mm Peso 159 Tens o Entrada 8 a 40 VDC Corrente de Entrada 33mA 12V Corrente Nominal Sensibilidade 165dbW minimo Conector 8 pin LIF Conector Antena MCX Para uma an lise mais detalhada pode visualizar se a sua datasheet no Anexo Il 3 6 3 Principio de funcionamento O receptor de GPS disponibiliza uma interface RS232 formatada pelo protocolo standart NMEA 0183 O receptor envia os dados em formato ass ncrono tendo uma estrutura do tipo start bit 8 bits stop bit a uma velocidade de 4800 bps bits per second Segundo o protocolo utilizado o receptor devolve a informa o em tramas constitu das por um cabe alho seguida de v rios par metros onde consta a informa o hor ria localiza o velocidade entre outros No presente projecto adoptou se a trama com cabe alho GPRMC Recommended Minimum Specific GPS TRANSIT
72. dor Essencialmente o receptor em terra compara o tempo que um sinal leva para ser transmitido pelo sat lite e chega at si A diferen a de tempo entre a transmiss o pelo sat lite e a recep o mostram ao receptor a dist ncia em que este sat lite se encontra Com a medida da dist ncia de outros sat lites o receptor pode determinar a posi o do utilizador Esta posi o dada em latitude longitude e altitude coordenadas geod sicas referentes ao sistema WGS84 um dos sistemas em funcionamento A latitude a dist ncia ao Equador medida ao longo do meridiano de Greenwich Esta dist ncia mede se em graus podendo variar entre 0 e 90 para Norte ou para Sul 47 A longitude a dist ncia ao meridiano de Greenwich medida ao longo do Equador Esta distancia mede se igualmente em graus podendo variar entre 0 e 180 para Este ou para Oeste A altitude num ponto da Terra a dist ncia na vertical superf cie de um ge ide Este definido por uma esfera com centro na Terra e um raio de 6378 km Para a obten o de uma posi o v lida s o necess rios pelo menos quatro sat lites Contudo quanto maior for o n mero de sat lites maior ser a precis o do resultado obtido O GPS pode ainda funcionar em modo Diferencial o DGPS Este modo elimina erros sistem ticos do GPS pois cruza os dados com esta es fixas na Terra Este modo aumenta consideravelmente a precis o do GPS chegando a valores de 1 m se
73. dos como amostras oferecidas pelos diversos fabricantes Microchip Linear Technology Analog Devices e Maxim Ser importante real ar que estes pre os ficariam substancialmente mais baixos para uma produ o em grande quantidade 93 94 10 Limitagoes e Melhorias 10 1 Limita es A utilizagao de dois pain is solares mostrou se insuficiente para alimentar correctamente a esta o nos meses em que ha menos horas de sol como no caso de Dezembro e Janeiro Sera necess rio instalar um terceiro painel solar para garantir a energia necess rio para o funcionamento da esta o Uma outra limita o refere se ao modelo do regulador de carregamento solar Para diminuir o custo final do projecto optou se por um dispositivo de gama baixa que n o apresenta protec o contra descarga total da bateria A substitui o deste regulador por um mais apropriado poder representar uma melhoria 10 2 Melhorias Uma poss vel melhoria ser adicionar a possibilidade de substituir o firmware remotamente Uma sugest o seria a concretiza o de um site onde se iria produzir o ficheiro hex com o novo c digo a enviar para a esta o Depois disso numa liga o seguinte da esta o com o servidor este c digo seria descarregado para o modem que por sua vez enviaria por RS232 para o microcontrolador Foi visto que esta melhoria bastante acess vel n o tendo sido concretizada por limita es temporais Uma outra melho
74. e observar n o s as medi es efectuadas como tamb m dados sobre a esta o m vel e uma pequena exposi o dos ndices da qualidade do ar Para visualizar as medi es efectuadas h a possibilidade de escolher uma data e o g s que se deseja analisar como representado na Figura 4 10 AMES eke V7 Escolha a data na qual quer ver a concentra o dos Gases Data Inicial Dia 02 M s 11 Y Ano 2007 Y Hora 09 Minuto 00 lt gt G s Geral Y Submeter Ver Resultado Ir visualizar as 2h Seguintes Geral coz co NO2 03 Friday 02 November 2007 12 04 PM INSTITUTO SUPERIOR TECNICO WebMaster Vasco Carvalho W i boa www ist utl pt Figura 4 10 Excerto do site desenvolvido para o projecto Fazendo esta escolha ser lhe apresentado um mapa sobre o qual ser o sobrepostos pontos representativos de cada uma das amostras recolhidas Estes pontos t m diferentes cores consoante a qualidade do ar As rela es entre as diferentes cores e concentra es dos gases podem ser observadas na Tabela 2 3 Utilizaram se os mapas da Google Maps e algumas aplica es desenvolvidas tamb m pela Google Esta empresa disponibiliza interfaces designadas de APIs Application Programming Interface com c digo pronto a ser inserido numa p gina HTML Na Figura 4 11 pode se observar um exemplo de um mapa com os v rios pontos das v rias amostras recolhidas 80 Galerias Mapa sadome J
75. e liga o do terminal GSM GPRS ao microcontrolador 46 Figura 3 22 Esquema de liga es entre o m dulo de GPS e o microcontrolador 50 Figura 3 23 Ciclo de escrita de um byte na mem ria 17 52 Figura 3 24 Ciclo de leitura de um byte da mem ria 17 52 Figura 3 25 Esquema de liga o da EEPROM a 52 Figura 3 26 Desenho do sensor de movimento utilizado no projecto e esquem tico de ligaCaO suas lis en nn aaa na ATA ana ada Gahan an a ia he 53 Figura 3 27 Esquema de liga o do sensor ao microcontrolador uueneen nennen 54 Figura 3 28 Exemplo de um Sistema Fotovoltaico canario 55 Figura 3 29 a Constitui o interna de uma c lula fotovoltaica t pica b Pormenor da constitui o das grelhas met licas 2 en nnnnnn nennen 57 Figura 3 30 Circuito equivalente de uma c lula fotovoltaica alimentando a carga Z 57 Figura 3 31 Caracter stica de pot ncia de um painel fotovoltaico gen rico 2 59 Figura 3 32 Radia o m dia mensal em Lisboa inclina o latitude 2 61 Figura 3 33 V rios tipos de Reguladores solares e respectivos esquem ticos 13 63 Figura 3 34 Esquem tico do regulador de tens o utilizado no projecto Solsum 5 0 11 63 Figura 3 35 Fases de Carregamento de uma bateria
76. e manuten o de base de dados designado MySQL O site que recebe os dados processa a informa o e guarda a na base de dados Criou se uma tabela com os v rios par metros necess rios os quais podem ser observados na Figura 4 7 A esta tabela deu se o nome de dados que puramente arbitr rio Esta tabela foi desenvolvida utilizando como par metro organizador a data Para este campo utilizou se o sistema Posix Time que refere o n mero de segundos desde 1 de Janeiro de 1970 para se situar numa data actual data entrada coordlong varchar 15 coordlat varchar 15 co2 float co float so2 float no2 float float nn me nn nn nn nn o mm nn mm nn nn nn nn nn foe nn nn nn nn nn nn nn o oe oe nn 2o jm rows in set 8 41 sec Figura 4 7 Descric o da tabela dados utilizada no presente projecto Para a inser o ou consulta de dados necess rio criar uma liga o com a base de dados Esta liga o pode ser executada com alguns comandos espec ficos como se pode observar na Figura 4 8 Na Figura 4 9 observa se um exemplo de introdu o de dados require SERVER DOCUMENT ROOT onfig db onfig php a a a owe a mos mos Figura 4 8 Exemplo de liga o da p gina de internet base de dados Figura 4 9 Exemplo de inser o de dados na base de dados 79 4 2 3 Visualizagao dos Dados Para a visualiza o dos dados criou se uma p gina na Internet Nesta p gina pode s
77. e quantidades substanciais de combust veis f sseis Este aumento faz com que as plantas se desenvolvam mais rapidamente o que primeira vista n o parece um factor prejudicial Contudo se for imaginado que tamb m as plantas indesejadas crescem de modo c lere como ervas e outras plantas inconvenientes e que as t cnicas de controlo mais usadas actualmente recorrem ao uso de qu micos nocivos atmosfera facilmente se compreende a dimens o do problema 2 3 2 Di xido de Enxofre SO O di xido de Enxofre SO2 um g s incolor detect vel pelo odor t pico e pelo sabor Pode ser de origem prim ria resultante essencialmente da queima de combust veis f sseis e de diversos processos industriais Pode ainda ser de origem natural onde resultado da actividade vulc nica Em altas concentra es pode provocar problemas no tracto respirat rio especialmente em grupos sens veis como os asm ticos Contribui para o fen meno das chuvas cidas que t m como consequ ncia a acidifica o dos meios naturais e a corros o de materiais met licos 2 3 3 Mon xido de Carbono CO O mon xido de Carbono tamb m um g s incolor e inodoro A sua origem deve se principalmente ao tr fego autom vel e produ o industrial A sua origem natural pode ser atribu do s erup es vulc nicas Os efeitos deste g s no ser humano manifestam se principalmente ao n vel do sistema cardiovascular e do sistema nervoso Concentra
78. ente de 50 C 18 3 3 3 Esquema de ligagao Na Figura 3 5 pode se observar o sensor e a liga o ao microcontrolador como foi dito anteriormente este sensor debita uma tens o proporcional temperatura verificada sendo assim apenas necessita de um fio pois a convers o da tens o feita em rela o ao GROUND 33 32 MICROCHIP MICROCHIP 31 MCP9701A dsPIC30F4013 30 29 Figura 3 5 Esquema de liga o do sensor de temperatura 3 3 4 Custo e m todo de aquisi o O sensor foi adquirido como sample pela Microchip como tal n o foi necess rio qualquer pagamento contudo este sensor tem o pre o de 0 159 na Microchip que o produtor e numa empresa de venda de componentes electr nicos FARNELL custa 0 372 19 3 4 Medi o dos Poluentes Sensores De modo a efectuar a medi o das concentra es dos v rios poluentes e assim poder se caracterizar a qualidade do ar utilizaram se sensores espec ficos para cada uma das grandezas a medir Pode se definir um sensor como um dispositivo que recebe e responde a um est mulo ou sinal Contudo os sensores realizados pelo Homem ditos artificiais respondem com um sinal normalmente el ctrico a um est mulo ou sinal Existe um tipo de sensor mais espec fico designado de transdutor que converte um tipo de energia neste caso a concentra o de um g s em por exemplo um sinal el ctrico Neste projecto recorreram se a dois tipos de sensores sensores que
79. ente quase instant neas n o s o representativas do medida pretendida n o se espera que tal seja um factor limitativo Por exemplo devida a uma incid ncia directa dos gases de escape de um dado veiculo 20 De referir que o sensor tem uma grande depend ncia da temperatura Contudo gra as ao sensor de temperatura tamb m embebido na esta o poss vel compensar esta depend ncia Tabela 3 2 Caracter sticas do sensor de di xido de Carbono 19 Sensor di xido de Carbono CO Intervalo de medida 100 PPM 95 Performance Tempo de Resposta 2 a 4 minutos Resolu o 1 PPM Ambiente Depend ncia da 10 20 6mV Temperatura 20 30 3mV Da Figura 3 6 poss vel observar a relac o entre a tens o debitada pelo sensor e a concentrac o de Di xido de Carbono Do gr fico retira se uma linha de tend ncia muito aproximada curva real Esta equac o inserida na programac o do microcontrolador que assim converte facilmente a tens o no valor de concentra o correspondente Caracter stica do sensor de dioxido de carbono Curva Real Interpola o Tens o mv y 0 1227 x4 1 9648 12 64 x2 30 46 x 12 08 Figura 3 6 Caracteristica do sensor de Dioxido de Carbono 21 Do grafico da Figura 3 6 pode se escrever y mV 0 1227 x 1 964 x 12 64 x 30 46 x 12 08 3 2 onde x representa a concentra o de Di xido de Carbono e y a tens
80. erf cie da Terra ou em rbita O sistema GPS foi criado e controlado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da Am rica podendo ser utilizado por qualquer pessoa gratuitamente desde que disponha de um receptor que capte o sinal emitido pelos sat lites H dois tipos de servi o GPS o Standart e o Precision sendo a precis o a principal diferente entre estes dois servi os O Standart tem uma precis o at 15m enquanto que o Precision apresenta uma precis o at 3m Inicialmente s o servi o Standart estava dispon vel em regime aberto ao p blico em geral Hoje em dia qualquer um dos servi os est dispon vel em qualquer parte do mundo e a qualquer pessoa O sistema composto por tr s partes a espacial a de controlo e a do utilizador O sistema espacial composto pela constela o de sat lites Actualmente existem 24 sat lites em orbita a uma altitude de 500 Km Estes sat lites d o duas voltas Terra por dia Est o dispostos de modo a que qualquer ponto na Terra seja iluminado por 5 a 8 sat lites O sistema de controlo formado pelas esta es terrestres dispersas pelo mundo na zona equatorial e respons vel pela monitoriza o das orbitas dos sat lites sincroniza o dos rel gios at micos entre outros Por fim o sistema do utilizador que consiste num receptor que capta os sinais emitidos pelos sat lites e que usa estas informa es e triangula o para calcular a posi o exacta do utiliza
81. ervidor um sistema de computa o que fornece servi os a uma rede de computadores Esses servi os podem ser de diversa natureza como por exemplo arquivos Web mail entre outros Nesta aplica o apenas foi necess rio um servidor Web Para realizar este tipo de servidor n o necess rio nenhum computador com caracter sticas especiais Um computador simples com uma liga o permanente Internet e software espec fico concretiza as especifica es na perfei o 4 2 1 Equipamento e Software Neste projecto utilizou se um computador pessoal fixo formado por um processador Pentium 4a 3 2 GHz com 1 GB de mem ria RAM Estas caracter sticas superam os requisitos m nimos com larga margem Em termos de software recorreu se a um servidor Web da Apache vers o 1 3 24 para Windows a 32 bits Este software livre podendo ser descarregado da p gina da Apache Para o processamento dos dados e carregamento na base de dados utilizou se PHP e MySQL Para o PHP utilizou se a vers o 4 1 2 para Windows e para o MySQL a vers o 3 23 49 tamb m para Windows 78 4 2 2 Armazenamento dos Dados Tendo em vista o processamento de dados recebidos por HTTP e posterior armazenamento desenvolveu se um site que ir receber os dados enviados pelo cliente Este site foi desenvolvido em HTML e PHP tendo liga o com uma base de dados A base de dados foi desenvolvida em linguagem SQL Structured Query Language utilizando um sistema d
82. es A Lys AAAAAABBBBBBBBCCCCCCCCCDDDDEEEEFFFFGGGGHHHHIIII Figura 4 2 Formato de uma trama de dados De forma a minimizar a mem ria ocupada e a minimizar os gastos no envio a data s se regista na primeira trama com o formato especificado na Figura 4 3 Figura 4 3 Formato da primeira trama de dados 74 Depois de se obter duzentas e sete 207 amostras perfaz se um total de 9810 bytes o tamanho necess rio para preencher um pacote de dados do GPRS Quando este pacote fica completo o microcontrolador configura o m dulo de GPRS e envia os dados No Cap tulo 4 1 3 o envio de dados ser estudado em mais pormenor Caso este envio seja concretizado com sucesso o microcontrolador reinicia a posi o de mem ria que regista o n mero de dados presentes Caso contr rio este contador n o reiniciado e na pr xima vez que enviar dados envia os dois pacotes e assim sucessivamente at aos 13 pacotes de armazenamento que o m ximo que esta memoria suporta Se ainda assim n o fosse poss vel enviar os dados os pacotes mais antigos iriam ser sobrepostos por novos dados 4 1 3 Envio de dados HTTP e M todo POST Como foi dito anteriormente os dados s o enviados por HTTP utilizando se o m todo POST Devido quantidade de dados a enviar utiliza se o corpo da mensagem Os dados s o enviados em v rias vari veis cada uma com 1810 bytes As v rias vari veis encontram se no corpo da mensagem separados por um ca
83. fi INSTITUTO SUPERIOR TECNICO 1d F Esta o M vel para Medida da Qualidade do Ar Vasco Daniel Ferreira Carvalho Disserta o para obten o do Grau de Mestre em Engenharia Electrot cnica e Computadores J ri Presidente Prof Jos Gerald Orientador Prof Francisco Alegria Vogais Prof Mois s Piedade Abril 2008 Agradecimentos Esta disserta o n o s o culminar de um longo trabalho mas tamb m o culminar de uma importante etapa nesta longa caminhada que a vida Durante todo este percurso h uma imensid o de pessoas s quais estou eternamente grato Contudo te o desde j as minhas desculpas para algu m que n o esteja nesta dedicat ria mas que certamente igualmente importante Ao professor Francisco Alegria pela preciosa ajuda no desenrolar de todo o trabalho sempre com alguma dica muito preciosa nos momentos de indecis o Ao professor Mois s Piedade pela ajuda em algumas mat rias abordadas na tese A todos os meus colegas do laborat rio que sempre ajudaram da melhor forma poss vel Um agradecimento especial ao meu colega Tiago Belo Antunes que sempre se mostrou dispon vel para me auxiliar em todos os momentos desta tese s minhas amigas In s e C tia do Carmo sempre dispon veis para me auxiliarem quando solicitava Marli Manuel e Agostinho que com uma enorme simpatia sempre se disponibilizaram para ajudar no que podiam Um obrigado muito especial aos meus pais pela
84. ica Inicia se uma reac o em cadeia Cada tomo de Cloro libertado pode destruir at cem mil mol culas de Ozono o que reduz a espessura da camada de Ozono Relativamente ao P lo Norte ainda n o se fala em buraco na camada de Ozono mas desde 1991 que se verifica j d fices localizados deste g s Como refere 3 uma das principais causas da destrui o da camada de Ozono deveu se a uma causa natural nomeadamente emiss o de gases sulfurados libertados pelas erup es vulc nicas Mas na d cada de 80 os cientistas denunciaram o perigo representado pelas emiss es industriais de Cloro Os clorofluorcarbonetos vulgarmente designados por CFC utilizados como gases propulsores de aeross is agentes de refrigera o ou para a expans o de algumas espumas r gidas constituem a causa principal da destrui o da camada de Ozono Contudo a aplica o de algumas normas a n vel mundial fez com que se diminu sse essa emiss o de CFCs tal como se representa na Figura 2 2 1 200 000 CFC 113 Ge CFC 12 1 000 000 mm CFC 11 800 000 600 000 400 000 200 000 Figura 2 2 Emiss o de Clorofluorcarbonetos 15 Todos esses compostos do CFC extremamente est veis podem permanecer na atmosfera entre cinquenta e cem anos Propagam se at aos P los e libertam os seus tomos de Cloro ou de Bromo que destroem o Ozono Em quantidades muito pequenas as radia es UV s o teis vida No entanto a exposi o prolonga
85. instant neos em cada situa o situa se nos 729 mW 90 8 Resultados Experimentais Na Tabela 8 1 observam se valores da concentra o de cada poluente obtidos atrav s da esta o fixa de Benfica em Lisboa mediante o site do Instituto da Qualidade do Ar 9 e os valores obtidos pela esta o em estudo Estes valores n o podem ser directamente comparados com os valores obtidos pela esta o em desenvolvimento pois esta determina valores de concentra es praticamente instant neas relativamente m dia hor ria ou octo hor ria dos valores de concentra o de cada poluente naquela obtidos do Instituto da Qualidade do Ar Tabela 8 1 Concentra o de cada Poluente na zona de Benfica Portugal CO PPM Os PPM NO PPM SO PPM Peso Molecular 28 01 47 99 46 01 64 06 Hg m3 1757 85 9 Dia 28 01 2008 Estac o Benfica Fixa 9 1 5337 0 0 0452 0 0034 Zona de Benfica 38 7563N 9 2034W 0 99489 0 0 0322 0 M vel O sensor de Di xido de Carbono data de finalizac o do projecto estava danificado da n o ser poss vel retirar quaisquer dados Os valores obtidos pela estac o em desenvolvimento s o naturalmente mais baixos pois a estac o do Instituto da Qualidade do Ar fixa e encontra se numa zona interior onde h uma grande densidade de tr fego Os valores apresentados na Tabela 8 1 referentes estac o m vel s o valores m dios depois de se ter feito um percurso
86. isa aa IRD ea edb ade 47 3 6 2 Escolha do Receptor de GPS er ireeeeeaene aerea aeaeraane aereas 48 3 6 3 Principio de funcionamento eenennnensennenenenseennenee nennen 49 3 6 4 Custo e m todo de aquisi o do Receptor de GPS 50 3 0195 ESQUEMA de JACA A A iia 50 3 7 MEMORIA ADICIONAL dies 51 3 7 1 Caracter sticas da mem ria rir ireieeeaene rn cnn rana nennen 51 3 7 2 Princ pio de funcionamento iii coronan cono narra ronca rana 51 3 7 3 Esquema de liga o da mem ria ao microcontrolador ii 52 3 8 SENSOR DE MOVIMENT Orainn as 53 3 8 1 Principio de funcionamento irei cnn cnronconn aeee ronca ranas 53 3 8 2 Escolha do sensor de movimento rien iee aeee aeee aereas 53 3 8 3 Esquema de liga o do sensor de movimento ao microcontrolador 54 3 8 4 Custo e m todo de AQUISICGO 00 cecccceecsesesseseseeseeeeseecseecsesecaeecseeaeaeeaeeeeaeeecaeeeeateees 54 3 00 AUMENTA AO scam pos pra e o TR tool dto Dto 55 IDA Pain is FOLOVONGICOS oi A UE aa 55 39 2 Regulador de Carga anna iaa 62 99 55 Balones talco A Cof p q o a aaa de pa O o de a 64 3 9 4 Tens es Utilizadas asas 66 3 10 ESQUEMATICO DE LIGA O DOS M DULOS 1 0 0 ceeesescesesseseseeeeseeeeseeecneceeneeecneescneeseeeeaeeeenees 70 SOFTWARE wiesieccscsvescccsscetvcssusdectveien dese id 71 4 1 ESTA O SER an sa vain tis la Mica Macs Dab Gre eae ai a es 72 4 1 1 Principio de funcionamento ccc cc
87. ja a uma temperatura de 25 C e a uma radia o incidente de 1000 W m Como a radia o m dia anual em Portugal esta na ordem dos 180 Wim 2 estes valores t m que ser encarados com muita prud ncia 3 9 1 3 Pot ncia produzida Determinar a pot ncia produzida pelos pain is nesta esta o algo dif cil de determinar De facto dada a mobilidade da esta o os pain is n o t m uma posi o fixa e podem entrar em zonas de sombra devido aos pr dios arvores etc Contudo a n vel te rico calcula se a pot ncia fornecida pelos pain is usando a radia o m dia mensal e anual em Lisboa e supondo que a esta o n o entra em zonas de sombra Este ser o valor m ximo poss vel produzido pelos pain is nesta esta o Para determinar a pot ncia pode se recorrer a dois m todos O mais rigoroso passa pela determina o de m factor de idealidade do diodo Io Ip e por fim pela respectiva pot ncia utilizando a express o 3 41 Outra possibilidade a utiliza o da express o 3 42 poss vel utilizar esta express o uma vez que o fabricante do painel disponibiliza o rendimento esperado destes pain is 5 Standart Test Conditions STC 60 Assim pode se reescrever 3 42 e obter Ps 1 4 G 3 43 onde A a rea do painel e G a radia o solar tal como j tinha sido dito Na Figura 3 32 representa se a varia o da radia o m dia mensal em Lisboa Percebe se que nos meses de Inverno a
88. ma refer ncia em A Assim a sa da dever ser referenciada a esta Voltando montagem desenvolvida Figura 3 9 utilizou se um amplificador de instrumenta o da Linear Technology o LTC1100 Neste dispositivo o ganho est previamente definido n o sendo necess rio adicionar qualquer resist ncia Visto ser um amplificador de instrumenta o de alta precis o as suas tens es e correntes de offset s o extremamente baixas n o comprometendo em nada a validade dos dados obtidos Na sa da do Amplificador de instrumenta o tem se a tens o do sensor multiplicada por um determinado ganho previamente definido Esta sa da est ligada no porto RBO pino 2 do microcontrolador Na equa o 3 8 pode se observar a tens o de sa da do Al Viu V V7 A 3 8 onde V a entrada positiva do Al V a entrada negativa e 4 o ganho da montagem Tendo em conta que os limites do ADC s o de 0 e 5 V e que _ pode ter no m ximo o valor de 15mV utilizou se um amplificador de instrumenta o com um ganho de 100 Sabendo que 0 V e que o ganho A 100 fica se com 3 9 O sensor tem uma forte depend ncia da temperatura este muda o valor da sua tens o em fun o da temperatura ambiente Para compensar esta varia o adicionado um factor correctivo 26 tens o de sa da do sensor Este factor depende da temperatura actual sendo denominado de tens o de compensa o da temperatura V e dado por temp
89. n 19 Figura 3 6 Caracter stica do sensor de Dioxido de Carbono 21 Figura 3 7 Corte Transversal do TGS4160 e detalhe do sensor unnesennnneneenn 23 Figura 3 8 Condicionamento de sinal necess rio ao funcionamento do sensor TGS4169 25 Figura 3 9 Condicionamento de sinal para o sensor de CO da Alphasense 25 Figura 3 10 Esquema de um Amplificador de Instrumenta o 26 Figura 3 11 Exemplo gen rico de um sensor amperim trico a e esquem tico b 28 Figura 3 12 Esquem tico do condicionamento de sinal para o sensor 8 30 Figura 3 13 Esquem tico do conversor de corrente para tens o 31 Figura 3 14 Curva real com os dados do fabricante e respectiva interpola o 34 Figura 3 15 Curva real com os dados do fabricante e respectiva interpola o 36 Figura 3 16 Curva real com os dados do fabricante e respectiva interpola o 38 Figura 3 17 Curva real com os dados do fabricante e respectiva interpola o 40 Figura 3 18 Exemplo de um pedido utilizando HTTP 4 44 enennenennnnnennnnen 43 Figura 3 19 Exemplo de um cabe alho cinco nanrn cnn anar cnn anar 44 Figura 3 20 Resposta de um Servidor cceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeseeeeeeeseneaeeeeseneaeeeseeeaeeeeeeaaees 44 Figura 3 21 Esquema d
90. na zona de Benfica no Anexo VII apresenta se os dados do percurso do dia 28 de Janeiro de 2008 Para uma an lise com mais detalhe e uma boa localizac o geogr fica o percurso pode ser analisado no site utilizando o seguinte endere o http acetfcpc1 1 ist utl pt ms test php h 1201473350 amp g Geral ou abrindo a pagina principal http acetfcpc11 ist utl pt ms escolhendo medi es e de seguida inserir o dia 27 de Janeiro de 2008 s 23 30h A poder escolher o g s que se pretende analisar em pormenor 11 Valores m dios obtidos pela esta o em desenvolvimento depois de se ter feito um percurso na zona de Benfica 91 92 9 Custo total da Esta o Na Tabela 9 1 est o descriminados todos os gastos na esta o Tabela 9 1 Custo discriminado de cada componente Equipamento Quantidade Pre o Observa es dsPIC30F4013 1 3 40 Siemens TC65 1 195 GPS Garmin 15H 1 55 4 Sensores CO SO2 NO O3 4 504 Sensor CO 1 52 Caixa 1 12 Tampa Protectora 1 49 5 PCB 1 96 Bateria 1 15 Regulador de Carregamento Solar 1 35 Diversos resist ncias condensadores 10 bobinas diodos parafusos cola conectores LT1168 Al 4 11 80 LT1776 DC DC 1 2 54 24LC1024 EEPROM 1 2 13 EDR101 rel 2 4 13 MS24 sensor movimento 1 4 54 Painel Solar 2 45 TOTAL 1109 04 Ha a salientar que todos os circuitos integrados com excep o do MAX232 foram adquiri
91. ndo por isso muito til para trabalhos de cartografia 3 6 2 Escolha do Receptor de GPS Na escolha do receptor de GPS teve se em conta essencialmente o pre o tamanho e pot ncia consumida A escolha recaiu sobre um m dulo da Garmin Esta foi a primeira e nica escolha visto ser uma marca de grande confian a e facilidade na sua aquisi o pois disp e de distribuidor em Portugal Este m dulo foi especialmente desenvolvido para ser embebido em aplica es como a presente oferecendo uma excelente performance EMI RFI para uma f cil integra o em sistemas que operar o rodeados de dispositivos de computa o m veis e equipamento de telecomunica es Algumas das caracter sticas est o descritas na Tabela 3 8 Pode se observar da an lise da tabela que os seus tempos de aquisi o s o aceit veis e de modo algum um factor limitativo para o normal funcionamento da esta o Tem um consumo baixo aproximadamente 390mW o que muito importante pois um componente que est sempre activo excepto nos momentos em que a esta o entra em Standby A interface por RS232 uma especifica o importante pois permite uma f cil conex o com o microcontrolador O seu tamanho e peso s o extraordinariamente reduzidos n o sendo uma limita o para a dimens o da esta o Este receptor pode funcionar em modo DGPS Differencial GPS o que faz aumentar muito a sua precis o EMI RFI Electromagnetic Interference R
92. nsfer ncia de bits entre maquinas 422 RS 449 Bluetooth Camadas OSI vizinhas USB 1e 2 42 3 5 2 Servi o de Internet utilizado O servi o escolhido para enviar os dados da esta o para o servidor foio HTTP Utilizando este servi o protocolo e o m todo POST poss vel enviar dados de uma forma din mica Este m todo utilizado por exemplo no envio de dados de formul rios de p ginas HTML O protocolo HTTP est inclu do na camada de aplica o onde utilizado para a transfer ncia de dados na rede mundial de computadores a Word Wide Web HTTP o acr nimo derivado da l ngua inglesa de HyperText Transfer Protocol Protocolo de Transfer ncia de Hipertexto Este protocolo pode tamb m ser utilizado para enviar imagens sons e textos Normalmente o protocolo de HTTP utiliza um porto conhecido nomeadamente o porto 80 Funciona sobre TCP camada de transporte e utilizado na comunica o de sites comunicando em linguagem HTML Em http uma comunica o come a normalmente com um pedido por parte do cliente Browser para um servidor Este servi o aceita o pedido enviando um comando especifico para o cliente Este por sua vez envia a informa o desejada por exemplo um endere o de um s tio na Internet para o servidor Finalmente o servidor responde com todos os dados desse site Na Figura 3 18 apresenta se um exemplo de um pedido de HTTP Browser Servidor acetfcpc11 ist utl pt 80
93. o de trabalho pois toda a corrente que este el ctrodo debita prov m do el ctrodo de contagem A entrada inversora deste ampop IC2 est ligada ao el ctrodo de refer ncia de onde provem uma corrente com valores na ordem dos nA O JFET Figura 3 12 b serve para gerar um curto circuito entre o el ctrodo de trabalho e o el ctrodo de contagem quando o circuito est desligado Se tal n o acontecer o sensor fica em circuito aberto enquanto o circuito estiver desligado e na vez seguinte em que ligado levar 30 algumas horas at estabilizar Contudo a nao utiliza o deste JFET n o afecta o tempo de vida operacional do sensor Quando o circuito ligado o JFET passa para o estado de alta imped ncia e o ampop IC2 fornece a corrente necess ria de modo a manter o el ctrodo de trabalho ao mesmo potencial que o el ctrodo de refer ncia Por fim o circuito de medida de corrente Figura 3 12 c Este circuito converte a corrente debitada pelo sensor num valor de corrente tabulado corrente essa consumida pelo transistor TR2 Como o consumo de corrente de toda a parte electr nica inferior a 100 uA e o zero de concentra o coincide com um consumo de 4 mA tal n o tem qualquer influ ncia Logo medindo o consumo do circuito tem se directamente a concentra o do g s a ser medido isto porque a corrente consumida pelo circuito est directamente relacionada com a concentra o de g s medida O circuito foi calibrado de modo
94. o esta dist ncia ultrapassar os 200 m valor determinado pelo projectista e que pode ser alterado facilmente o microcontrolador vai ler os dados de cada um dos sensores e proceder ao tratamento dos dados Este tratamento ser abordado na subsec o 4 1 2 Este ciclo constitu do pela verifica o da validade dos dados seguido do c lculo da dist ncia entre as posi es e por fim a leitura dos sensores repete se sempre que a esta o estiver em funcionamento Para uma melhor efici ncia energ tica sempre que os dados do receptor de GPS permane am inv lidos durante cinco minutos ou a esta o demorar mais que cinco minutos para percorrer os 200m o microcontrolador desliga todos os perif ricos e entra em modo Sleep Neste modo o consumo de energia por parte do microcontrolador menor podendo ser reactivado por uma interrup o externa Para gerar esta interrup o utilizou se um sensor de movimento que emite um sinal sempre que detectado alguma oscila o Como se prev que a esta o circule em cima de um 73 ve culo assim que este mexer ir activar o sensor de movimento alterando o valor numa entrada do microcontrolador e consequentemente retirando o microcontrolador do modo Sleep 4 1 2 Tratamento dos Dados Obtidos Em cada amostra recolhida tem se uma hora uma coordenada de latitude e longitude o valor dos cinco sensores dos gases e o valor do sensor de temperatura Uma vez que os dados s o enviados atrav
95. o liga se a este servidor atrav s do m dulo de GSM GPRS usando um servi o de Internet onde descarrega os dados Esta base de dados pode ser consultada utilizando uma p gina da Internet tamb m desenvolvida neste projecto Neste s tio pode se visualizar algumas informa es gen ricas sobre a esta o sobre limites de concentra o dos v rios gases e ainda ter acesso base de dados de uma forma simples e interactiva De facto escolhendo uma data o sistema mostra num mapa os v rios pontos onde foram obtidas as amostras de ar Consoante a cor destes pontos pode se imediatamente constatar de forma qualitativa o estado do mesmo A visualiza o de dados quantitativos como a concentra o espec fica de cada poluente hora data e temperatura do local feita clicando em cima desse ponto abrindo se uma janela com todas estas informa es 14 3 2 Unidade de controlo da esta o Com o objectivo de controlar todos os m dulos intervenientes na esta o tais como a gest o de dados recolhidos dos sensores o envio da informa o para o servidor a tomada de decis es relativas opera o do sistema entre outras utilizou se um microcontrolador program vel 3 2 1 Microcontrolador Program vel Um microcontrolador um circuito integrado program vel com o intuito de controlar os mais variados sistemas electr nicos Pode se entender este microcontrolador como um microprocessador com os mais variados perif ricos
96. oltaicos um controlador de carregamento solar e uma bateria de 12 V com uma capacidade de 2 Ah Na Figura 3 28 apresenta se um esquema de um sistema fotovoltaico id ntico ao utilizado neste projecto Figura 3 28 Exemplo de um Sistema Fotovoltaico 1 Bateria 2 Controlador de Carregamento solar 3 Painel Fotovoltaico 3 9 1 Pain is Fotovoltaicos Os pain is fotovoltaicos s o dispositivos utilizados para converter a energia solar em energia el ctrica Estes dispositivos s o constitu dos por c lulas fotovoltaicas Estas c lulas s o os elementos mais pequenos de um sistema fotovoltaico produzindo cada uma uma pot ncia muito baixa De forma a aumentar esta pot ncia deve se juntar v rias c lulas em s rie ou paralelo consoante se pretende aumentar a tens o ou a intensidade da pot ncia produzida Existem tr s tipos de c lulas mono cristalinas poli cristalinas e sil cio amorfo as quais diferem entre si no m todo de fabrico e no rendimento obtido As c lulas de maior rendimento t m tamb m os maiores custos de produ o Na Tabela 3 10 observa se os v rios tipos de c lulas e os respectivos rendimentos 55 Tabela 3 10 Rendimento el ctrico de v rios tipos de c lulas 12 Rendimento Rendimento Max Rendimento Max T pico registado em aplica es Registado em Lab Mono Cristalina 12 15 22 7 24 0 Poli Cristalina 11 14 15 3 18 6 Silicio amorfo 6 7 10 2 12 7
97. os dois terminais circular corrente el ctrica 56 Ohmic contact Petype semiconductor p type semiconductor Substrate b Figura 3 29 a Constitui o interna de uma c lula fotovoltaica t pica b Pormenor da constitui o das grelhas met licas 2 Utilizando o modelo matem tico simplificado uma c lula pode ser vista como um circuito el ctrico equivalente descrito na Figura 3 30 No entanto existe um modelo mais aproximado da realidade chamado modelo detalhado e que inclui as perdas desde a fonte de corrente at sa da da tens o e Figura 3 30 Circuito equivalente de uma c lula fotovoltaica alimentando a carga Z A corrente el ctrica gerada pelo feixe de radia o luminosa representada pela fonte de corrente Este feixe constitu do por fot es que atingem a superf cie activa da c lula A corrente unidireccional e constante para uma certa radia o incidente e temperatura A corrente Ip representa a jun o p n que funciona como um d odo Esta corrente depende da tens o V aplicada aos terminais da c lula 57 A corrente Ip dada por V B nle oI 3 37 em que lo Corrente inversa maxima de satura o do diodo V Tens o aos terminais da c lula m Factor de idealidade do d odo m 1 ideal m gt 1 real V Potencial t rmico para condi es normais V 25 7 mV Pela an lise do esquem tico apresentado na Figura 3
98. os el ctrodos e o electr lito de modo a formar uma interface entre o g s liquido e s lido Podem ocorrer oxida es em gases como o mon xido de Carbono di xido de Enxofre xido de Azoto entre outros e podem observar se redu es no di xido de Azoto e Cloro Este sensor devolve uma corrente proporcional concentra o do g s alvo Esta corrente fornecida pelo el ctrodo contador Counter O el ctrodo de contagem Counter balanceia as reac es do el ctrodo de trabalho ou seja quando o el ctrodo de trabalho oxida um g s o el ctrodo de contagem reduz uma outra mol cula para gerar uma corrente equivalente mas em sentido contr rio Por exemplo quando o mon xido de Carbono oxidado no el ctrodo de trabalho o Oxig nio tem que ser reduzido no el ctrodo de contagem As reac es podem traduzir no el ctrodo de trabalho como CO H 0 gt C0 2H 2e 3 13 e no el ctrodo de contagem 1 20 2H 2e gt H 0 3 14 A combinac o de 3 13 e 3 14 permite escrever CO 1 20 gt CO 3 15 Quanto maior for a concentra o de CO maior ter que ser o trabalho do el ctrodo de contagem para gerar oxig nio que ser consumido no el ctrodo de trabalho Ao contr rio do el ctrodo de trabalho no el ctrodo de contagem o potencial pode variar O el ctrodo de contagem tem que garantir que tem tens o e corrente suficiente para manter o el ctrodo de trabalho no mesmo potencial que o el ctrodo de refer ncia
99. os tipos de Reguladores solares e respectivos esquem ticos 13 3 9 2 2 Escolha do Regulador de Carga De entre uma grande variedade de controladores de carga escolheu se aquele que tendo um pre o aceit vel re ne todas as condi es necess rias A escolha recaiu no regulador STECA modelo Solsum 5 0 um regulador tipo shunt que tem protec o contra sobrecarga compensa o de temperatura e funciona a 12 e 24 V Tem ainda de leds onde se pode visualizar o estado da bateria e de carregamento O esquem tico do regulador pode ser observado na Figura 3 34 A N T LA ry E pes ii T1 ro ot Es eH I Figura 3 34 Esquem tico do regulador de tens o utilizado no projecto Solsum 5 0 11 Como se observa da Figura 3 34 o transistor T1 utilizado para gerar um curto circuito na fonte de energia neste caso no painel solar no caso de sobrecarga da bateria O transistor T2 utilizado para desligar a carga de modo a prevenir a descarga total das baterias Todo este m dulo controlado por um dispositivo da Atonic V3 3 63 Na Tabela 3 12 apresenta se as caracter sticas el ctricas do regulador em quest o Tabela 3 12 Caracter sticas do Regulador Solar Solsum 5 0 11 Regulador de Carregamento Solar Solsum 5 0 Tens o de Sistema 12 24 V Corrente solar Max 5A Fusivel 6 3A Bornes 2 5 mm Con
100. p o de dados SD Nesta montagem tamb m utilizado um pino de selec o da mem ria CS O SPI do microcontrolador utilizado pode ser configurado em modo de 8 ou 16 bits A mem ria utilizada no presente projecto funciona com instru es de 8 bits e com uma frequ ncia de rel gio que pode ir de 1MHz a 20MHz Neste projecto utilizou se 5 MHz Acede se ao dispositivo atrav s do pino de SDI no flanco ascendente do rel gio 51 Durante uma opera o de escrita ou leitura o pino de CS deve ser mantido ao nivel l gico Low e o pino de Hold ao n vel l gico High Na Figura 3 23 e na Figura 3 24 apresentam se os ciclos de escrita e leitura respectivamente Ends TWC je cs 0123 4 5 6 7 8 9 10 11 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 SCK wie Instruction gt 24 bit Address Data Byte sl oo o o of 1 fea un 2X 1X Ia High Impedance so Figura 3 23 Ciclo de escrita de um byte na memoria 17 r E 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 sx LULU UU LU FLL LPL EL LS Lt Instruction gt 24 bit Address gt a 0000 0 1 pesa ane ma High Impedance Data Out so E aa 7V6V5V4Y3V2V1Yo Figura 3 24 Ciclo de leitura de um byte da mem ria 17 Tan
101. pola o linear dos dados apresentados em 3 21 fica se com X PPM 25 25 V 25 out onde V out o valor devolvido pelo Al como se pode observar em 3 18 3 21 3 22 Na Figura 3 14 representada a depend ncia do sensor de mon xido de Carbono temperatura 33 Depend ncia da temperatura do sensor de mon xido de carbono 110 105 100 95 90 Curva Real 85 Interpola o Sensibilidade y 6 265e 007 x 2 8e 005 x 0 003953 x 0 5755 x 90 05 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Temperatura C Figura 3 14 Curva real com os dados do fabricante e respectiva interpola o Usando uma interpolac o aos dados do gr fico representado na Figura 3 14 poss vel obter uma equac o que quantifica a respectiva depend ncia nomeadamente y 6 265x 107 x 2 8x 10 x 3 953x107 x 5 755x 107 x 90 05 3 23 Sabendo que x representa a temperatura e usando 3 22 fica se com a express o final onde se obt m a concentrac o do mon xido de Carbono X PPM 25 25 V 25 y 3 24 out 34 3 4 2 4 Caracter sticas do Sensor Di xido de Enxofre Na Tabela 3 4 pode se observar as principais caracter sticas do sensor de di xido de enxofre O sensor tem um limite de concentra o de 20 PPM valor um pouco alto para as concentra es esperadas mas foi o valor mais baixo encontrado para sensores do tipo No que diz respeito ao tempo de resposta este sensor apresent
102. r cter amp Tal disposi o adoptada pode ser visualizado na Figura 4 4 POST add php HTTP 1 1 Accept image gif image x xbitmap Accept Language en gb pt q 0 5 Accept Encoding gzip deflate User Agent Mozilla 4 0 compatible Host localhost 79 Connection Keep Alive aa 15032302100712345678123456789 amp b 15052 1512323465234 amp c 135322345 Figura 4 4 Exemplo de cabe alho e corpo da mensagem Esta informa o ent o enviada do cliente M dulo de GPRS para um servidor Este processa a informa o e guarda a de modo conveniente para ser posteriormente consultada O modo como esta informa o processada e guardada ir ser abordada no Cap tulo 4 2 15 4 1 4 Problemas e Solu es Durante o desenvolvimento do software para o envio e recep o de dados na esta o e no servidor respectivamente uma dificuldade verificada foi o acerto de todos os bytes enviados Para combater esta situa o utilizou se um analisador de protocolos tamb m designado por sniffer Ethereal Este software gratuito e pode ser descarregado directamente no site da Ethereal www ethereal com Com este software poss vel ver todos os pacotes que s o enviados e recebidos pelo computador poss vel ver tamb m os protocolos utilizados e m todos entre outros Na Figura 4 5 pode se ver um exemplo de utiliza o deste software Packetyzer Capture Session ob File Edi
103. radia o solar diminui consideravelmente pelo que deixa antever que a utiliza o do valor da radia o m dia anual em 3 43 pode conduzir a valores err neos 400 w 200 Radia o solar incidente G W m2 o o Figura 3 32 Radia o m dia mensal em Lisboa inclinagao latitude 2 Assim determinou se a pot ncia produzida pelos pain is recorrendo a dois valores distintos de radia o na pior situa o radia o verificada em Dezembro e utilizando a radia o m dia anual G 185 W m Para a pior situa o tem se uma radia o mensal de 63 6 W m e uma rea de 0 0396 m Sabendo que o painel tem um rendimento de 15 5 e segundo a equa o 3 43 fica se com P nxAxG 3 44 Utilizando a radia o m dia anual obt m se 3 45 Esta pot ncia entende se como um valor constante ao longo do tempo na realidade durante o dia os pain is produzem e durante a noite n o produzem qualquer energia 61 3 9 2 Regulador de Carga O Regulador de Carga um componente indispens vel para fontes alternativas de energia Solar ou E lica Este dispositivo permite um perfeito controlo do limite de carga que os m dulos de baterias podem receber evitando a sua deteriora o por sobrecarga e contribuindo para o aumento do ciclo de vida destes m dulos 3 9 2 1 Principio de Funcionamento do Regulador de carga Dependendo do tipo de Regulador de carga pode se tirar o maior
104. reassembled PDU http gt 1024 ACK Seq 1 Ack 9718 Win 17520 Len 0 TSV 9411990 TS php HTTP 1 1 http gt 1024 ACK Seq 1 Ack 9988 Wi HTTP HTTP 1 1 200 OK text html DHCP DHCP Request Transaction ID Ox90b6c87c TCP TCP 1024 gt http ACK Seq 9988 Ack 251 Win 5200 Len 0 TSV 51 TSER 9 ap RPC retransmission of 1911 V2 CALLT RPC retrans gt RPC retransn C retran p RPC retrans RPC retrans TCP Retransmission TCP segment of a reassembled PDU 17250 Len 0 TSV 9411998 TS Length ses 66 566 66 566 66 566 66 316 354 66 146 146 146 146 146 146 146 146 146 58 Rel Time ULISSIUZ4U4 2 0153 02 565 8 BEE Received 89010 Passed Filter 89010 TY Frame 1941 336 bytes on wire 336 bytes captured A SF Arrival Time Jan 25 2008 00 35 37 258523000 S Time delta from previous packet 0 435541000 seconds 1933 E Time since reference or first frame 99184 348528000 seco 1984 Frame Number 1941 1933 Packet Length 336 bytes 1998 Capture Length 336 bytes 1937 Protocols in frame eth ip tcp http data text lines 1996 Y Ethemet II Src Intel 27 b5 5d 00 02 b3 27 b5 5d Dst Asust 1939 Intemet Protocol Sre 87 103 108 19 87 103 108 19 Dst 193 1 1940 PA Version 4 Header length 20 bytes 1942 Differentiated Services Field 0400 DSCP 0x00 Default ec 1943 Total Length 322 Lets Identification OxbcdO 4833
105. res e melhores zonas para se passear viver etc Aqueles que contribuem de forma sistem tica e consider vel para o aumento da concentra o de gases na atmosfera tais como empresas de transportes p blicos de camionagem etc devem ser as primeiras a tomar medidas de monitoriza o das suas emiss es de modo a tomar medidas correctivas A constru o de jardins em zonas mais polu das o desvio de rotas rodovi rias e uma gest o mais s ria do parque arquitect nico e industrial de uma cidade podem ser algumas solu es Contudo para se poder tomar ac es concretas s o necess rios dados obtidos em tempo real e de forma rigorosa Para tal preciso ter um sistema de monitoriza o extenso capaz de cobrir largas zonas e n o apenas um ponto espec fico de uma localidade onde os dados recolhidos n o podem ser generalizados Um sistema m vel de monitoriza o da qualidade do ar facilmente integr vel numa frota de transportes p blicos poder representar um primeiro passo no sentido do objectivo indicado anteriormente 1 2 Enquadramento A data deste trabalho os principais sistemas de medida de gases resumem se a esta es fixas em determinados locais onde a informa o transmitida partida atrav s de rede f sica para uma central Os dispositivos m veis existentes no mercado apesar de terem capacidade de medida de v rios par metros obrigam a que os dados sejam recolhidos por um t cnico n o permitindo por
106. ria ser adicionar um controlo de alimenta o do sistema tendo em conta a tens o da bateria Nesta vers o o microcontrolador n o tem informa o do estado da bateria e n o pode interromper o processo de aquisi o de dados quando a tens o n o suficiente para alimentar os sensores o GPS e outros dispositivos Um sistema de controlo capaz de desligar a alimenta o quando atingido um determinado valor m nimo de tens o de bateria seria uma solu o 95 96 11 Conclusao Com este trabalho conseguiu se cumprir o objectivo inicial de produzir um equipamento m vel de pequenas dimens es e com a mais valia de n o necessitar de qualquer liga o f sica tanto para transmiss o de dados como para a alimenta o Igualmente a fixa o da esta o ao ve culo por meio de manes assegura que n o necess rio proceder a qualquer modifica o no seu tejadilho A uni o formada pelos m dulos de GPS GPRS e sensores a utiliza o de um servidor de dados e a publica o destes dados numa p gina da Internet leva a que o trabalho se demonstre bastante interessante e til Note se que todo o processo totalmente autom tico dispensando recursos humanos Sendo produzido em grandes quantidades fornece a possibilidade de criar um servi o de baixo custo capaz de medir a qualidade do ar de uma determinada rea A n vel individual este trabalho foi bastante enriquecedor pois tomou se contacto com in meras reas e diverso
107. s nocivos para a vida humana vegetal animal ou bens Os contaminantes do ar incluem fumos vapores cinzas de papel poeiras fuligem fumos carbonosos gases n voas material radioactivo ou produtos qu micos t xicos A polui o est directa ou indirectamente relacionada com a actividade humana As actividades industriais s o uma das principais causas da polui o atmosf rica seguida dos meios de transporte e do aquecimento dom stico a partir de combust veis referido por 3 que no final de 1998 circulavam no mundo 524 milh es ve culos ligeiros e 189 milh es cami es Um ve culo autom vel com motor de combust o interna emite cerca de 200 g de g s carb nico e consoante o motor entre 0 2 e 3 4 g de xido de Azoto por quil metro Por outro lado certos poluentes atmosf ricos reagem entre si gerando outros poluentes chamados de poluentes secund rios Assim a dissocia o por efeito do Sol de compostos org nicos vol teis de Mon xido de Carbono e de xido de Azoto produzidos pelos motores dos ve culos autom veis levam forma o de Ozono principalmente no Ver o quando as temperaturas s o mais elevadas E expect vel que durante o s culo XXI a taxa de polui o atmosf rica continue a aumentar dado o crescimento demogr fico e a industrializa o verificados nas ltimas d cadas Poluentes Prim rio coz co so2 ques A A maioria dos nr 503 qe F ae See Hidrocarbonetos
108. s sistemas electr nicos sendo um elemento essencial para a inser o na vida profissional 97 98 12 Refer ncias 1 Gomes J Polui o Atmosf rica Um manual universit rio Edi es t cnicas Porto 2001 2 Castro R Introdu o energia fotovoltaica Rui Castro Maio de 2007 3 Delmolino A Delpas C Lef vre A O Homem e o meio ambiente Enciclop dia de ci ncias Larousse C rculo Leitores 2001 4 Visionarium Odisseia da ci ncia enciclop dia multim dia Clima e Ecologia volume 9 Printer Portuguesa 2005 5 Designing a Potentiostatic Circuit Alphasense Application Note AAN 105 Abril de 2005 6 How Electrical Gas Sensor Work Alphasense Application Note AAN 104 Abril de 2005 7 Environmental Changes Temperature Pressure Humidity Alphasense Application Note AAN 110 Abril de 2005 8 Designing a Potentiostatic Circuit Alphasense Application Note AAN 105 Abril de 2005 9 Instituto da Qualidade do Ambiente http www qualar org 10 Schlumberger http www seed slb com pt scictr watch climate_change sources htm 11 STECA STECA Solsun 5 0 6 6 8 0 8 8 12 BP Solar www bpsolar com 13 Sistemas de Energias Alternativas http www ffsolar com index_pt html 14 Brosset Dr Michel G E Bodereau Eng Ghislaine C Conhecendo as Baterias MBT Nov 97 15 Perspectivas do Meio Ambiente Mundial GEO 3 Universidade Livre d
109. sumo proprio 4mA 3 9 2 3 Custo e m todo de aquisi o do Regulador de Carregamento Solar O regulador de carregamento solar custou 35 euros e foi adquirido via internet na FF Solar de Aljezur 3 9 3 Bateria Como qualquer equipamento port til necess rio um acumulador de energia Para o efeito usa se uma bateria selada de chumbo cido A bateria acumula energia na forma qu mica para depois a disponibilizar na forma el ctrica A capacidade de armazenamento da bateria expressa em amperes hora Ah Numa bateria de 2 Ah assume se que esta consegue disponibilizar 200mA durante 10h sendo que contudo a efici ncia seja diferente para diferentes taxas de descarga 3 9 3 1 Escolha da Bateria Na escolha da bateria teve se em aten o essencialmente o espa o dispon vel na caixa do equipamento procurando se utilizar uma bateria com a maior capacidade poss vel para o espa o existente Uma vez que o sistema est constantemente a variar entre os ciclos de carregamento e descarga escolheu se uma bateria de chumbo cido que melhor se adaptam a este tipo de opera o 64 3 9 3 2 Principio de funcionamento da bateria Segundo 14 a bateria constitu da por um conjunto de acumuladores el ctricos recarreg veis interligados convenientemente utilizado para armazenar e libertar energia utilizando reac es qu micas entre o chumbo e o cido sulf rico Na sua concep o mais b sica a bateria
110. t session Utilities Window Help Gio amp AS Q so K Kate O Decode Protocols Connections Statistics Wireless Capture Filter Source Address Memory 126 87 103 1U8 19 193 136 130 65 87 103 108 19 193 136 130 65 87 103 108 19 193 136 130 65 87 103 108 19 193 136 130 65 192 168 201 205 193 136 130 65 193 136 130 65 193 136 130 82 87 103 108 19 192 168 201 206 192 168 201 204 192 168 201 205 192 168 201 203 192 168 201 201 192 168 201 202 192 168 201 206 192 168 201 205 192 168 201 204 193 136 130 65 Dest Address 193 136 130 63 87 103 108 19 193 136 130 65 87 103 108 19 193 136 130 65 87 103 108 19 193 136 130 65 87 103 108 19 192 168 201 255 87 103 108 19 87 103 108 19 255 255 255 255 193 136 130 65 192 168 201 255 192 168 201 255 192 168 201 255 192 168 201 255 192 168 201 255 192 168 201 255 192 168 201 255 192 168 201 255 192 168 201 255 328 100 130 176 Frame 336 bytes Reassembled TCP 9987 bytes Summat TCPY TOP TCP TCP TCP TCP TCP TCP TCP wy TCP Retransmission TCP Segment ors resssemdren POUT http gt 1024 ACK Seq 1 Ack 8218 Win 17520 Len 0 TSV 9411979 TS TCP segment of a reassembled PDU http gt 1024 ACK Seq 1 Ack 8718 Win 17020 Len 0 TSV 9411981 TS TCP segment of a reassembled PDU http gt 1024 ACK Seq 1 Ack 9218 Win 16520 Len 0 TSV 9411983 TS TCP segment of a
111. te na sua globalidade Avaliar com base em m todos e crit rios comuns a qualidade do ar ambiente nos Estados membros Dispor de informa es adequadas sobre a qualidade do ar ambiente e proceder de modo a que o p blico seja delas informado designadamente atrav s de limiares de alerta Manter a qualidade do ar ambiente quando esta boa e melhor la nos outros casos Depois desta directiva v rios Decretos Lei foram emitidos Estes documentos regulamentam desde as entidades competentes passando por descrever as medidas adoptadas de modo a atingir os objectivos da politica da gest o da qualidade do ar valores limites de emiss o para as instala es industriais valores guia e limite para cada um dos gases poluente entre muitos outros aspectos Na portaria n 286 93 de 12 de Mar o est o definidos os valores guia e limites de concentra o de poluentes na atmosfera Segundo estes dados e 9 foi poss vel construir um quadro de ndices representado Tabela 2 3 onde se qualifica a qualidade do ar tendo em conta a concentra o destes poluentes Tabela 2 3 N veis de concentra es de cada poluente e ndice da qualidade do Ar 9 Poluente em causa Classifica o Min M x Min CO ug m3 PPM NOs ug m3 PPM Os ug m3 PPM SO ug m3 PPM 10000 400 ist 240 500 8 7290 0 213 0 1223 0 1908 8500 9999 230 399 180 239 350 499 7 4197
112. th S1 Off Open mia Voer Ver Vsar E a Te ress CME an A yom DEREN Con BB me Sana al Va time Vour Vin fon T SV Vix gt Vour Figura 3 37 Esquema de um conversor Buck Step Down e respectivos sinais 18 A tens o de sa da est directamente relacionada com o tempo em que interruptor est activo nomeadamente Vv v Mol 3 46 onde o tempo em que o interruptor est activo e o per odo 68 3 9 4 2 Tens o de 9 Volts Dado que a tens o de 9 V um valor pr ximo da tens o base 12 V recorreu se a um regulador linear Como foi dito anteriormente este regulador dissipa energia ao baixar a tens o mas como a diferen a de tens o pequena e a corrente que necess rio debitar extremamente baixa n o se observa grande vantagem na utiliza o de um conversor DC DC 3 9 4 3 Tens o de 12 Volts A tens o de 12 V foi obtida directamente da bateria certo que o valor da bateria varia ligeiramente mas todos os componentes que utilizam esta tens o possuem regulador interno Logo tal varia o n o afectar o seu correcto funcionamento 69 3 10 Esquem tico de liga o dos M dulos Na Figura 3 38 demonstra se a liga o entre todos os m dulos e a respectiva interface utilizada Os sensores de temperatura e gases ligam as entradas do ADC o terminal de GSM GPRS liga UART 1 RS232 o receptor de GPS liga UART 2 e por fim a mem ria liga aos pinos do SPI da micro
113. to na opera o de escrita como na opera o de leitura o processo a seguir o mesmo come a se por enviar a instru o da opera o a realizar leitura escrita ler estado do registo entre outros de seguida envia se 24 bits com o endere o ao qual se deseja aceder e por fim envia se ou recebe se o byte pelos pinos Sl ou SO respectivamente 3 7 3 Esquema de liga o da mem ria ao microcontrolador oF sv 14 Figura 3 25 Esquema de liga o da EEPROM 52 3 8 Sensor de Movimento Com o objectivo de tornar o sistema totalmente aut nomo e com uma boa efici ncia energ tica optou se por desligar o equipamento quando este est algum tempo parado Para o repor de novo em funcionamento dotou se o sistema de um sensor de movimento que detecta quando a esta o entra de novo em funcionamento Este sensor detecta pequenas vibra es e traduz essas vibra es em impulsos el ctricos 3 8 1 Principio de funcionamento Este sensor funciona como um interruptor ou seja quando n o h vibra o este est fechado deixando passar qualquer sinal que esteja nos seus pinos Por outro lado quando h vibra o o circuito fica em aberto A dura o destes impulsos proporcional for a da vibra o Vec 10K 1M Output Movement Vibration switch Figura 3 26 Desenho do sensor de movimento utilizado no projecto e esquem tico de liga o 3 8 2 Escolha do sensor de movimento Na es
114. uardar Dados na Memoria Sim I 1 1 Desligar M dulo em i een GPRS 1 Mem ria gt 9810 1 1 Ligar ventoinha de i arrefecimento i Figura 4 1 Fluxograma de funcionamento da esta o Quando o sistema reiniciado o microcontrolador configura todos os portos e interfaces de comunica o De seguida s o configurados os temporizadores e o conversor de sinal anal gico para digital Foram utilizados dois temporizadores um deles utilizado para activar um LED onde se pode observar o estado de funcionamento da esta o pela varia o da frequ ncia com que este pisca O segundo temporizador referido utilizado unicamente para uma fun o de delay 72 Voltando ao LED onde se observa o estado de funcionamento da esta o este encontra se permanentemente acesso quando a esta o est em standby ou seja a esta o entrou em modo de economia se o LED a piscar lentamente com aproximadamente uma frequ ncia de 0 5 Hz indica que o sinal de recebido do GPS est inv lido possivelmente por estar numa zona recep o de sinal e como tal n o retira amostras enquanto essa situa o se mantiver Por fim o LED a piscar rapidamente que indica que a esta o est espera de percorrer a dist ncia pr definida para assim recolher uma nova amostra O ADC foi configurado para funcionar a uma frequ ncia de amostragem de 31 7 kHz e como tens o de refer ncia s o utilizados os 5 V Neste ponto o microcontrolador tem
115. um painel fotovoltaico gen rico 2 Da observa o da caracter stica de pot ncia verifica se que h um ponto ptimo de funcionamento para os pain is solares onde se verifica sempre o m ximo de pot ncia produzida Este ponto varia consoante as condi es de radia o e temperaturas apresentadas no momento Existem controladores que mant m o painel no ponto m ximo aos quais se d o nome de MPPT Maximum Power Point Tracking 59 3 9 1 2 Escolha do Painel Fotovoltaico De entre os v rios tipos de painel e devido ao pouco espa o dispon vel o painel teria que ter o maior rendimento poss vel Assim escolheu se um painel fotovoltaico com c lulas mono cristalinas pois o tipo de c lula que apresenta um melhor rendimento Foram utilizados dois pain is cada um composto por 16 c lulas em s rie com uma efici ncia de 15 5 Tabela 3 11 Caracter sticas dos pain is fotovoltaicos STC Conjunto de dois Sil cio Monocristalino Um Painel Fotovoltaico pain is Fotovoltaicos Pot ncia de Pico Pmax 2 43W 4 86W Corrente m xima Imax 310mA 310mA Tens o m xima Vmax 7 84V 15 68V Corrente de curto circuito loc 310 a 340mA 310 a 340mA Tens o em circuito aberto Vea 9a 10v 18 a 20V Numero de c lulas NSM 16 32 Comprimento C 180mm 180mm Largura L 113mm 226mm As caracter sticas expressas na Tabela 3 11 s o v lidas para as condi es normais de teste STC ou se
116. uring the day in the city in order to acquire a map of the quality of air Each module have diverse sensors for measure the concentration of different gases a sensor of position GPS to locate the module and a communication module GSM GPRS to transmit the data to a central station server Each module is self sufficient in energy terms because are fed by batteries that are loaded by a solar panel The server presents the results in real time in numerical or graphical form overlapped to a map of the city indicating with different colours the concentration of each measured gas CO NO Os SO CO Key Words Monitoring system Quality of Air Sensors GPRS GPS and microcontroller Indices AGRADECIMENTOS 2 20 dscsssiceessesoet saddens seasitene desnatado coevoscencseassttesseues seedeeesteessstoscsseanstsete HI RESUMO A O V PALAVRAS CHAVE lt iisisosoiiesenonionie niniaren ieseni tieer Ki ake son te E KS V ABSTRACT en ES S E EE SE ETA O Eavuse ona mio asno Inda V KEYWORDS 2 20 ioro Ees ia KE eae NI S as ua Ea EEEE e SEEE eni V INDICES inina En NEVEN ENEO AKNE ANETO cds Leva EEEN ENNES Vil LISTA DE RIGURAS uu2ness8 see assinfen sen dass ces ese KSKE EESK EEEN ES X EISTA DE TABELAS 2220 ensure snavenstiase ess anon testi casdesannasanessesonsnense XII 1 INTRODU O tai ak 1 1 1 MOTIVA O E OBJECTIVOS enipe et eie A E RA AEAN A AEE RAEE 1 1 2 ENQUADRAMENTO cin a 2 2 A O Ta as oca 3 2 1 POLUI O D
117. vi o bem definido Este protocolo assim chamado pois os dois principais protocolos deste modelo s o o TCP Transmission Control Protocol Protocolo de Controle de Transmiss o e o IP Internet Protocol Protocolo Internet Uma outra forma de designar estas camadas utilizando o Modelo OSI Open Systems Interconnection a poss vel compara o entre estas duas formas de se descrever as v rias camadas que comp em a interliga o entre as m quinas pode ser analisada na Tabela 3 7 41 Como ser l gico as camadas superiores s o aquelas mais perto do utilizador final exemplo disso a camada de aplica o na qual se utilizam os protocolos de http ftp smtp pop etc E poss vel definir as v rias camadas da arquitectura da Internet Na Tabela 3 7 observa se a descri o das v rias camadas e sua utilidade Tabela 3 7 Modelo TCP IP e Modelo OSI Camada Descri o Protocolo 4 Camada de http SMTP FTP SSH RTP Telnet SIP RDP IRC SNMP NNTP POP3 IMAP Interface entre o protocolo de Aplica o comunica o e o servi o que receber os Camadas OSI dados atrav s da rede 6e7 BitTorrent DNS Ping 3 Camada de Transporte Transfer ncia de dados entre Esta es TCP UDP SCTP DCCP Camadas OSI 4e5 2 Camada de Rede Encaminhamento e expedic o de IP IPv4 IPv6 ARP RARP Camadas OSI mensagens ICMP IPSec 3 1 Camada Modem RDIS RS 232 EIA Fisica Tra
118. y e GPS Standard Positioning Service SPS Position lt 15 meters 95 typical 100 meters with Selective Availability on Velocity 0 1 knot RMS steady state e DGPS USCG RTCM Position 3 5 meters 95 typical Velocity 0 1 knot RMS steady state e DGPS WAAS Position lt 3 meters 95 typical Velocity 0 1 knot RMS steady state e PPSTime 1 microsecond at rising edge of PPS pulse subject to Selective Availability e Dynamics 999 knots velocity only limited at altitude greater than 60 000 feet 6g dynamics 1 5 4 Interfaces 1 5 4 1 Electrical Characteristics e True RS 232 output Port 2 output not used at time of publication asynchronous serial input compatible with RS 232 or TTL voltage levels RS 232 polarity e User selectable NMEA 0183 baud rate 300 600 1200 2400 4800 9600 19200 38400 106 desenvolvida impresso ircuito i Aq umeig SAPS TH IA MOMS TIO Ma P PAS 8002 10 17 Exa WIMOd YAMOd 0 ZON aaa Nn Koneg 0 TON UOISIADY es Qa ann lt ann Oe ans 8 ga 8 E aye 1 y g De wos usg m A 4 4 O O lo lo Most NEU agia e NN WAM Od GND we DIA we DA PINIS AND p adozz adoz adozz 8 aaa adoz asia ano HER aks z Dd ZINOT LOHAOEDIASP PEN TEW O WIN SD Adozz Adozz cas eher alho MA O 6ETO EI SI 1 XN O ddA_I GOA ano E NTETXVIN od Jd s 9 wg DOA Tao ISdO TNOD SUDLIAS JAMO TETXVIN 1

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