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Protótipo de unidade de sensoriamento

Os parágrafos seguintes abordam as funcionalidades, componentes utilizados e as dificuldades encontradas na confecção do primeiro protótipo do dispositivo para sensoriamento das variáveis ambientais temperatura, umidade, CO2 e material particulado.

É importante lembrar que esse protótipo é apenas uma versão inicial confeccionada com o intuito de testar os componentes confinados em um case e trazer a discussão relacionada ao desenho de um circuito impresso apropriado para o dispositivo, assim como, o desenho de um case que possa abrigar a placa de circuito impresso e seus componentes.

O protótipo foi confinado em case tipo gabinete caixa plástica mostrado na Figura 1(a), projetada para display LCD 16X2. As dimensões da caixa plástica são 8.6cm de altura, 8.6cm de largura e 2.6cm de profundidade como mostrado na Figura 1(b).

Figura 1(a). Case caixa plástica

Figura 1(b). Dimensões do case

A caixa precisa abrigar um sensor de material particulado SPS30 mostrado na Figura 2(a), um sensor de temperatura, umidade e CO2 SCD30 mostrado na Figura 2(b), um LCD 16X2 e um microcontrolador com WiFi NodeMCU ESP8266-12E.

Figura 2(a). SPS30

Figura 2(b). SCD30

Os componentes foram montados em placa de fenolite perfurada.

Figura 3. AK898 e protótipo com case aberto

O protótipo em questão tem as seguintes funcionalidades:

• Sensoriamento das variáveis ambientais temperatura (°C), umidade relativa (%), CO2 (ppm) e material particulado (ug/m³ e partículas/cm³) (PM1, PM2.5, PM4 e PM10).
• Apresentação no display LCD das variáves temperatura (°C), umidade (%), CO2 (ppm) e material particulado (ug/m³) (PM2.5 e PM10).
• Conexão do chip ESP8266 a uma rede WiFi através de SSID e senha.
• Envio dos dados sensoriados para a plataforma ThingSpeak para registro e análise da precisão das medições.

A Figura 4 mostra o sensor comercial AK898 e a primeira versão do protótipo confeccionada para os testes iniciais.

Figura 4. Sensor comercial AK898 e protótipo

Os dados coletados pelo sensor AK898 e protótipo mostrados na Figura 4 e enviados para a plataforma ThingSpeak são apresentados nos próximos tópicos.

Medições de CO2, temperatura e umidade

As medições de de CO2, temperatura e umidade foram feitas em duas etapas. Durante a primeira etapa também foi realizado um teste com álcool gel próximo aos sensores para observar sua resposta em relação a essa substância.

Na primeira etapa foi observado o efeito causado pelo confinamento dos sensores no case. Apesar do case possuir aberturas laterais por onde o ar podia passar, as medições de temperatura e umidade foram extremamente comprometidas. Já as medições de CO2 foram satisfatórias mesmo com os sensores confinados no case.

A Figura 5 mostra os valores de CO2 e temperatura registrados na primeira etapa de medições. As setas em cor vermelho apontam os momentos em que o case foi aberto para upload de um novo código de programação que definia um novo valor de calibração para o cálculo de temperatura. As setas em cor verde indicam o início e o fim do teste com álcool gel.

Figura 5. Gráfico das medições de CO2 e temperatura

É observado na Figura 5 que nos momentos de abertura do case a temperatura diminuia, indicando que a temperatura estava superior a temperatura real do ambiente quando o case estava fechado. Já a concentração de CO2 apresentava um pico nas medições no momento de abertura do case, justificado pela respiração próximo ao case no momento de abertura e upload de código. Podemos observar também que não houve reação do sensor ao colocar álcool gel dentro da caixa plástica junto com os sensores, ou seja, o álcool não influenciou as medições de CO2.

A Figura 6 mostra os sensores dentro da caixa plástica próximo ao álcool gel num recipiente de metal.

Figura 6. Gráfico das medições de CO2

Nos tópicos seguintes são mostrado para fins de comparação os registros feitos na plataforma ThingSpeak das medições de CO2, temperatura e umidade e do protótipo com os sensores SPS30 e SCD30 da Sensirion e os registros do sensor AK898 (sensor comercial).

Medição de CO2

Na Figura 7 é mostrado o registro feito na plataforma ThingSpeak das medições de CO2 do protótipo com os sensores SPS30 e SCD30 da Sensirion e os registros do sensor AK898.

Figura 7. Gráfico das medições de CO2

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Medição de Temperatura

No gráfico abaixo é possível visualizar a temperatura registrada e o erro desses registros em comparação com o sensor AK898.

Figura 8(a) Temperatura

Figura 8(b). Temperatura e erros após recalibração

Na Figura 9 é possível visualizar o erro mínimo, médio e máximo na medição de temperatura dos sensores SCD30 em comparação aos registros do sensor comercial AK898.

Figura 9. Erro dos sensores

Medição de Umidade

Na Figura 10 é possível visualizar a Umidade registrada e o erro desses registros em comparação com o sensor AK898.

Figura 10(a) Temperatura

Figura 10(b). Temperatura e erros após recalibração

Na Figura 11 é possível visualizar o erro mínimo, médio e máximo na medição de umidade relativa dos sensores SCD30 em comparação aos registros do sensor comercial AK898.

Figura 11. Erro dos sensores