Respire

Cronograma

Cronograma do projeto

Atividade 20-30 Mai 1-10 Jun 11-20 Jun 21-30 Jun 1-10 Jul 11-20 Jul 21-30 Jul 1-10 Ago 11-20 Ago 21-30 Ago Status Pesquisa sensores e placas X OK Compra sensores e placas X OK Estudo sobre protocolos de comunicação dos sensores X X OK Teste de comunicação dos sensores com o microcontrolador WiFi e calibração dos sensores X X Falta o teste com o sensor de material particulado HPMA115 Escolha dos sensores para protótipo X Desenho do layout da placa de circuito impresso X Definição de case para abrigar os sensores e o controlador da exaustão X Definição da plataforma e estratégia de envio de dados para nuvem X Preparação do servidor que receberá os dados na nuvem X Fabricação ou compra dos cases X Fabricação da placa de circuito impresso X Teste de comunicação e controle da unidade de sensoriamento com a unidade de controle de exaustão (em matriz de contato) X Soldagem dos componentes na placa de circuito impresso e montagem das unidades nos cases X Teste das unidades em bancada X Criação de interfaces para o usuário visualizar os dados na nuvem X Instalação e teste das unidades em campo (Hospital) X

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.

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

Figura 3. Gráfico das medições de CO2

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 3 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 3. Gráfico das medições de CO2 e temperatura

É observado na Figura 3 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.

Nos tópicos seguintes são mostrado para fins de comparação os registros feitos na plataforma ThingSpeak das medições de CO2, temperatura, umidade e material particulado PM2.5 do protótipo com os sensores SPS30 e SCD30 da Sensirion e os registros do sensor AK898 (sensor comercial).

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

Figura 3. Gráfico das medições de CO2

Medição de CO2

Na Figura 3 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 3. 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 (a) Temperatura

Figura (b). Temperatura e erros após recalibração

Na Figura 10 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 10. Erro dos sensores

O erro máximo nos registros do sensor SCD1 foi de 0,77 °C e do sensor SCD2 foi 0,46 °C.

Medição de Umidade

Na Figura 11 é possível visualizar a Umidade registrada e o erro desses registros em comparação com o sensor AK898.

Figura (a) Temperatura

Figura (b). Temperatura e erros após recalibração

Na Figura 12 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 12. Erro dos sensores

O erro máximo nos registros do sensor SCD1 foi de 2,7% e do sensor SCD2 foi 3,9%. O erro médio foi 1,6% e 1,8% respectivamente.