Grupo 03 - Transformação de Contadores de água analógicos em digitais para deteção de perdas de água

Equipa:	Grupo 03: Pedro Pereira (Coord.) , João Modesto , Fernando Gandarinho , Cândido Luís , André Ferreira
Empresa:	SCUBIC
Orientadores:	Paulo Pedreiras (DETI) Bruno Abreu (SCUBIC)

O desperdício de água é uma preocupação global crescente, especialmente em regiões afetadas pela seca e em áreas urbanas com infraestruturas de abastecimento de água envelhecidas. Este projeto foca-se na transformação de contadores de água analógicos em sistemas digitais, visando uma gestão mais eficiente e precisa do recurso hídrico. . Ao fornecer dados precisos e atualizados sobre o consumo de água, esta iniciativa permite uma resposta rápida a ineficiências, contribuindo para a conservação da água e para a sustentabilidade ambiental.

• Desafio
• Resultados
• Protótipo Final

Desafio

Estima-se que cerca de 30% da água potável fornecida se perde devido a vazamentos e medições imprecisas. Este problema é agravado pelas infraestruturas envelhecidas e pelo uso contínuo de contadores analógicos, que muitas vezes falham em detetar pequenos vazamentos.

O desafio deste projeto reside no desenvolvimento de um sistema universal capaz de digitalizar informação proveniente de contadores analógicos, analisar e processar esses dados e transmiti-los para um servidor.

O protótipo final teria de ser uma solução de baixo custo e um KIT aplicável por qualquer pessoa sem conhecimentos técnicos, sem ser necessário ação de terceiros. A aplicação deste KIT teria de ser possível em todos os contadores, desde os mais antigos aos mais modernos, e a sua instalação na parte superior do contador não poderia ser uma possibilidade, pois a não interferência com o módulo analógico era uma prioridade. O protótipo teria também de funcionar com baterias, com uma estimativa útil de vida de pelo menos 3 anos e teria de ser capaz de transmitir dados e operar em ambientes hostis (humidade e temperatura). A comunicação entre o dispositivo e o servidor teria de ser por GSM/2G/4G/GPRS para envio dos dados em tempo real. De referir que a empresa definiu que o módulo mais importante a ser alcançado seria o módulo de aquisição de sinal.

Resultados

O módulo de Sensorização, é composto principalmente pelo magnetómetro MLX90393. Este módulo tem a responsabilidade de adquirir os valores de variação de campo magnético gerados pelo acoplador do contador. Este modelo tem a capacidade de entrar em modo de repouso e possui uma linha física externa para acordar o microcontrolador caso o contador entre em funcionamento, características fundamentais para as questões energéticas serem alcançadas com sucesso.

O módulo de Processamento de Sinal, o “cérebro” do sistema, tem como seu componente fundamental o microcontrolador STM32 NUCLEO-F030R8. Ao existir variação de valores de campo magnético, o sensor irá enviar um interrupt que irá “acordar” o microcontrolador, inicialmente em sleep mode. Seguidamente, este irá ser responsável por receber os dados digitais [0, 1023] e aplicar-lhe um filtro passa Baixo de modo a eliminar possíveis ruídos de alta frequência. Irá ser feita a digitalização do sinal [0 - 1], e por consequência a conversão desta digitalização em litros. O microcontrolador tem a capacidade de detetar se existe ou não consumo de água, e no caso de não existir, este mesmo coloca-se em sleep mode, passando novamente o sensor a ser o componente master. E assim se cria o ciclo de funcionamento do sistema. Este módulo possui a capacidade de colocar os restantes periféricos (sensor e módulo de transmissão) em modo repouso, tendo como objetivo a poupança de energia.

O módulo de transmissão, e receção de dados é composto por duas partes, uma é a comunicação com base de dados e outra é a comunicação com o módulo de transmissão de dados presente no sistema. O módulo responsável pela comunicação com a base de dados é uma placa NB-Iot 2 click da Mikroe electronics que comunica com a internet via Narrow band Iot. Este módulo recebe os dados provenientes do STM32 via UART e seguidamente, em conjunto com um broker de MQTT, envia esses mesmos para uma base de dados hospedada no Amazon Timestream.

O módulo de gestão de energia, apesar de não ter sido testado foi planeado e teorizado para funcionar da seguinte forma. A leitura da tensão da bateria seria feita através da ADC do STM32, no entanto devido a questões de gasto energético, esta leitura só seria feita quando fosse necessário enviar os dados do consumo de água. O sistema iria funcionar através de uma bateria de 12v ligada a um módulo de alimentação MB102 que iria converter essa tensão para 3.3v. O processo de leitura energética começa pelo polling da ADC, onde iriamos ter uma entrada de sinal de 3.3v (a alimentação do STM), como é sabido as baterias de qualquer tecnologia à medida que descarregam pode-se observar uma diminuição de tensão, através deste valor, conseguimos extrapolar com alguma precisão o nível de energia a que a bateria se encontra. Quando o sistema verificasse que este nível desceu abaixo de um certo valor critico definido por nós, um aviso seria enviado para a base de dados que iria informar o utilizador que tem que trocar a bateria.

Protótipo Final