Saiba como criar plataforma com informações de conjuntos mecanizados

É possível criar seu próprio sistema de aquisição de dados utilizando o Arduino, uma plataforma que proporciona obter diversas informações sobre conjuntos mecanizados.

A aquisição e a automação de dados são atividades essenciais nas áreas onde existe a necessidade de apresentar, ao observador, os valores de variáveis e parâmetros que estão sendo medidos e executar uma tomada de decisão em função dos valores, controlando processos em tempo real, enviando sinais a um periférico, controlando portas, atuadores, motores, entre outras aplicações.

Uma vez que a tomada de dados é uma das etapas mais tediosas de um ciclo de pesquisa, pode-se automatizar o sistema de aquisição sem comprometer a precisão com as vantagens de reduzir os erros gerados pela transcrição de dados, eliminar as variações induzidas pelo operador nos processos de coleta de dados e aumentar a taxa de leitura de dados.

Na agricultura, por exemplo, vários pesquisadores têm trabalhado em diferentes áreas, utilizando algum tipo de sistema de aquisição com a finalidade de monitorar eventos em suas pesquisas. Além da aplicação científica, o monitoramento de dados também é aplicado de forma intensa em máquinas e sistemas agrícolas, como tratores, colhedoras autopropelidas, implementos e unidades de processamento, secagem e armazenamento de produtos. A versatilidade de um sistema de aquisição também se torna importante, permitindo sua adaptação para diferentes pesquisas sem grande elevação de custos.

Nos equipamentos que se deseja monitorar, ou controlar, são instalados sensores, que transformam um fenômeno físico em sinais elétricos. Os sinais elétricos produzidos variam de acordo com os parâmetros físicos, que estão sendo monitorados, e devem ser condicionados para fornecer sinais apropriados à placa de aquisição de dados. Os acessórios de condicionamento de sinais amplificam, isolam, filtram e excitam sinais para que estes sejam apropriados às placas de aquisição. Uma vez condicionados e trabalhados na forma desejada, os sinais podem ser lidos em computadores, com placas específicas instaladas e armazenados em diferentes formas, como arquivos de texto. Sensores de posição, velocidade, aceleração, força, vazão, torque, pulso, GPS, temperatura e umidade são alguns exemplos de transdutores utilizados na composição de um sistema de aquisição de dados.

SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE BAIXO CUSTO

A procura de soluções de baixo custo é, hoje em dia, uma exigência quando se fala em aquisição de equipamentos para empresas e instituições - essa procura torna-se ainda mais iminente quando as soluções disponíveis comercialmente são caras e não traduzem por completo os objetivos para as quais se destinam.

O Arduino é um exemplo de sistema de baixo custo. Criado em 2005 para facilitar o aprendizado de eletrônica e programação de estudantes de um curso de design pelo professor Massimo Banzi, o Arduino é uma placa de aquisição baseada num microcontrolador muito versátil que potencializa suas funções para além de uma simples interface passiva de aquisição de dados, podendo operar sozinha no controle de vários dispositivos e tendo assim aplicações em instrumentação embarcada e robótica.

Todo o projeto eletrônico, incluindo a plataforma para o desenvolvimento dos programas de controle, é de acesso público e gratuito. Uma extensa comunidade internacional se formou em torno do projeto Arduino, envolvendo técnicos e desenvolvedores de diversas áreas, alunos e professores, hobistas, artistas plásticos, que interagem através de sites, blogs e eventos patrocinados por diferentes instituições mundo afora.

Na Web, é possível encontrar farta documentação sobre aplicações e de troca de experiências entre usuários. Essa malha internacional de usuários, muito cooperativa, é um fato muito auspicioso para os iniciantes que de outra forma encontrariam dificuldades naturais de uso dessa tecnologia. Outro fato positivo é que, atualmente, podem-se encontrar diferentes versões da placa Arduino, no mercado nacional, com preços muito acessíveis, ou mesmo instruções de montagem a partir dos componentes eletrônicos básicos, o que pode atender o interesse de profissionais com maior capacitação em eletrônica.

O Arduino é uma plataforma de hardware tipo código aberto, de fácil utilização, ideal para a criação de dispositivos que permitam interação com o ambiente, dispositivos estes que utilizem como entrada diferentes tipos de sensores, e como saída leds, motores, displays, autofalantes etc, criando desta forma possibilidades ilimitadas.

A plataforma utiliza-se de uma camada simples de software implementada na placa e uma interface amigável no computador que utiliza a linguagem Processing, baseada na linguagem C/C++, a qual é também código aberto. Através do software, dispensa-se o uso de programadores para o chip, facilitando ainda mais o seu uso, uma vez que não exige compiladores ou hardware adicional. Neste ambiente de desenvolvimento, são disponibilizadas bibliotecas que permitem o interfaceamento com outros hardwares, permitindo o completo desenvolvimento de aplicações simples ou complexas em qualquer área. Um dos modelos de placa mais simples disponíveis no mercado é o Arduino UNO.

Placa Arduino UNO existente no mercado.
Placa Arduino UNO existente no mercado.
Tela de apresentação dos dados do aplicativo desenvolvido.
Tela de apresentação dos dados do aplicativo desenvolvido.
Módulo de GPS conectado e uma placa Arduino.
Módulo de GPS conectado e uma placa Arduino.

DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA

Utilizando uma placa Arduino, pode-se montar rapidamente um sistema de aquisição específico, de acordo com a demanda operacional visando baixo custo e confiabilidade. Neste pressuposto, propõe-se neste artigo a montagem de um sistema simples de medição de fluxo de combustível. Para seu desenvolvimento, foi utilizado como hardware a placa modelo Arduino UNO R3 e um computador para a programação e o armazenamento de dados. O programa utilizado foi o ambiente de desenvolvimento Arduino 1.0.5, na versão de instalação para sistema operacional Windows.

Utilizando-se o ambiente de desenvolvimento Arduino, foi desenvolvido um aplicativo para coletar e apresentar os dados de fluxo de fluido na porta serial USB, enquanto lidos pelo sensor de fluxo. Para a determinação do fluxo de fluido, foi utilizado o sensor de fluxo modelo Oval M-III LSF45L0-M2, com sensor magnético, unidade de leitura de pulso de 10ml/pulso, fluxo máximo de 500L/h, alimentação de 12V a 24V de corrente contínua (VCC), consumo máximo da 10mA e pulso de saída do tipo 0/1 = máximo 0,5VCC/6,2 a 7,6VCC, com resistência mínima de 10kΩ.

O sensor foi conectado numa placa de terminais modelo Protoboard 840 e, utilizando-se fios jumpers e cabo USB AB, realizou-se a ligação do sensor, placa Arduino e computador.

O sistema de aquisição de dados, depois de implementado, foi testado com a finalidade de verificar a precisão dos dados provenientes do sensor e calibrá-lo.

O sensor foi avaliado utilizando-se a medição de volumes previamente determinados de água, de 250ml, 500ml, 1.000ml e 2.000ml, à temperatura de 20°C. Utilizou-se, para a determinação do volume, uma proveta de medição com graduação, com capacidade de 250ml, ± 2ml. Os dados provenientes do sensor foram coletados através da porta serial USB do computador, sendo apresentados em tela do programa Arduino.

O aplicativo desenvolvido inicia sua execução com a estrutura de declaração de variáveis, definindo a porta de entrada conectada ao sensor e os valores iniciais das variáveis que serão utilizadas no sistema. Em seguida, realiza a estrutura de Setup, com a definição do modo de funcionamento da porta como entrada (Input) e início da transmissão serial com definição da taxa de transmissão de dados de 9600bauds. Na sequência, inicia a estrutura de Loop, realizando a contagem dos pulsos convertendo para volume, onde um pulso corresponde a 10ml, e imprimindo a saída da porta serial da placa Arduino para entrada do PC em tela serial. O aplicativo utilizado para a determinação do fluxo de fluido usou o código fonte.

Para avaliar o sistema, o sensor de fluxo foi conectado ao sistema de aquisição de dados implementado e avaliado em laboratório. Os valores determinados por proveta graduada e os valores determinados pelo sensor de fluxo apresentaram ajustamento estimado pela equação linear y = 0,0043 + 0,9927x, com coeficiente de determinação r2 = 0,9999, sendo o modelo estatisticamente significativo ao nível de 1% de probabilidade. O diagrama de dispersão apresentou uma correlação positiva das variáveis.

Conexão do sensor de fluxo e placa Arduino para testes.
Conexão do sensor de fluxo e placa Arduino para testes.

CONSIDERAÇÕES

Concluiu-se que o aplicativo desenvolvido apresentou facilidade de operação do sistema, permitindo rapidez na operação de aquisição de dados, e a capacidade de combinar o sistema implementado para atender a demandas de diversas pesquisas, podendo ser utilizado em diferentes tipos de máquinas agrícolas e em diferentes necessidades de aquisição de dados, como atributos de força, torque, velocidade, posição, frequência de rotação de eixos, entre outros exemplos.

Numa aplicação mais avançada, sugere-se a instalação do sensor de fluxo na linha de alimentação de combustível de um trator agrícola para realização de operação de campo e determinação do consumo de combustível do trator em trabalhos agrícolas, além disso, a instalação de um display digital na placa Protoboard, ligado ao Arduino, para a verificação, em tempo real, do volume consumido e o consumo horário.

Nesta mesma placa, podem ser conectados demais sensores, como de força, torque, radar e GPS, e um módulo SD com um cartão de memória pode ser instalado na placa principal do Arduino, com a finalidade de armazenar os dados sem a necessidade de um PC conectado e a alimentação da placa com uma bateria de 9V, ou do próprio trator permite seu funcionamento adequado em qualquer condição de trabalho.

O preço de uma placa Arduino UNO R3 é de R$ 79,00, um módulo de GPS para o Arduino custa R$ 299,00, um módulo para cartão microSD custa R$ 69,00 e um display básico de 16 caracteres por duas linhas custa R$ 29,00. Somando todos os equipamentos citados, o custo estimado para implementar o projeto fica abaixo dos R$ 500,00.

Display básico de 16 caracteres por duas linhas
Display básico de 16 caracteres por duas linhas.
Placa Arduino UNO R3.
Placa Arduino UNO R3.


Ricardo Ferreira Garcia, Rodrigo Cavalcante de Lima, Uenf; Alan Carvalho Galante, FSMA, INSG e FeMASS 


Artigo publicado na edição 147 da Cultivar Máquinas. 

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