SISTEMA WIRELESS AUTOMATIZADO DE CONTROLE DE TEMPERATURA E UMIDADE PARA LABORATÓRIOS DE

CALIBRAÇÃO E EXIBIÇÃO DE DADOS NO COMPUTADOR VIA USB

Gabriel Einhardt gabrieleinhardt@gmail.com

Universidade Estadual do Oeste do Paraná

Roger Frederick Dupont rogerdupont@bol.com.br

Universidade Estadual do Oeste do Paraná

Abstract Based on the NBR ISO/IEC 17025:2005 norm, whose one of the main objectives is to determine the calibration laboratories competence, a study on the measurement of the temperature and humidity of these laboratories was developed and a wireless network was used in order to avoid the use of cabling. Thus, a prototype that measures temperature and humidity was built. This prototype also sends this information, through wireless network, to a microcontroller that communicates to a computer via USB Port.

Resumo Baseado na norma NBR ISO/IEC 17025:2005, que tem como um dos principais objetivos determinar a competência dos laboratórios de calibração, foi realizado um estudo sobre medição da temperatura e umidade desses laboratórios e a aplicação de uma rede wireless para evitar a utilização de um cabeamento. Assim, foi construído um protótipo que mede os valores de temperatura e umidade e envia, através de uma rede sem fio, a informação obtida para um microcontrolador que se comunica com um computador através da porta USB. Palavras Chaves: Wireless, USB, Temperatura, Umidade 1. INTRODUÇÃO

A NBR ISO/IEC 17.025 é uma norma internacionalmente adotada para o estabelecimento de critérios de trabalho para laboratórios. Esta norma especifica os requisitos gerais para a competência em realizar ensaios e/ou calibrações, incluindo amostragem. Ela abrange ensaios e calibrações realizados através de métodos normalizados, métodos não normalizados e métodos desenvolvidos pelo laboratório. Um dos artigos dessa norma determina que em um laboratório de calibração de equipamentos não deve ter uma variação de temperatura superior e/ou inferior a 1°C nem umidade ser abaixo de 45% ou acima de 60% (ABNT, 2005).

Existem vários sistemas de ar-condicionado e refrigeração de ambientes disponíveis aos consumidores, porém a maioria deles faz a aquisição dos dados necessários – temperatura e umidade – em apenas um ponto do local, pelo fato de possuírem apenas um sensor de temperatura acoplado ao próprio ar-condicionado. Sabe-se, empiricamente, que esses sistemas comerciais não possuem a precisão necessária que um laboratório de calibração exige.

As redes wireless (redes sem fio) são soluções normalmente aplicadas onde uma infra-estrutura de cabeamento convencional não pode ser utilizada. Atualmente a grande maioria das redes wireless permite plena conectividade e atende aos padrões e normas dos organismos internacionais competentes.

Um microcontrolador programável realiza a leitura da temperatura e da umidade através de um sensor. Subsequentemente, o microcontrolador envia esses dados para um dispositivo que fará a comunicação sem fio. Ao lado do computador, há um segundo dispositivo que funciona como gerenciador da rede wireless. Esse gerenciador pode receber informações de vários

dispositivos/sensores simultaneamente e identificar qual é o sensor que está enviando a informação. Após o recebimento das informações dos sensores, um microcontrolador envia essas informações para o computador através da porta USB. Um software livre realiza a comunicação com a porta e mostra os valores lidos pelos sensores na tela do computador.

Com esse protótipo, que já demonstrou resultados satisfatórios, é possível determinar a temperatura e a umidade em vários pontos do laboratório (separadamente e sem cabeamento) e mostrar cada valor lido na tela do computador. 2. JUSTIFICATIVA

Segundo os estudos de Fujimara et al. (2008) postulam, com a publicação da ISO/IEC Guia 25 em 1978, deu-se início ao processo de padronização de laboratórios de ensaio e calibração. A ISO/IEC Guia 25 era utilizada na maioria dos países, embora muitos países da Europa não a aceitassem e, desta maneira, valiam-se ainda da EN 45001. Contudo, nenhuma destas normas atendia aos requisitos e exigências necessários à qualidade, rastreabilidade da medição e confiabilidade do laboratório e, por conseguinte, a ISO Guia 25 foi revisada e as falhas até então encontradas foram retificadas. Como resultado, criou-se a norma ISO/IEC 17025, desenvolvida a partir da experiência adquirida com a ISO Guia 25 e da incorporação de diretrizes difundidas pela norma ISO 9000. Sua primeira edição foi publicada internacionalmente em 2000 e introduzida no Brasil em 2001, sob o nome de ABNT NBR ISO/IEC 17025. Essa primeira edição tinha como referência a ABNT NBR ISO 9001:1994 e ABNT NBR ISO 9002:1994, que foram posteriormente substituídas pela ABNT NBR ISO 9001:2000, tornando-se necessário um alinhamento da ABNT NBR ISO/IEC 17025 e, atualmente, sua versão é datada de 2005.

Conforme Gontijo (2003) apud Fujimara et al. (2008), a ISO/IEC 17025 tem como um dos principais objetivos determinar a competência dos laboratórios de calibração através de um padrão internacional e único. Ela também discorre acerca dos requisitos que um laboratório precisa cumprir em relação à qualidade (análise crítica, ação preventiva, controle de documentos, etc) e em relação aos requisitos técnicos (confiabilidade dos ensaios – cálculo de incerteza de medição, rastreabilidade, validação dos métodos, etc). Para um laboratório que deseja obter reconhecimento nacional e internacional, conseguir a certificação ISO/IEC 17025 é essencial e, para isso, precisa cumprir com as exigências da norma. Também é importante que os laboratórios sejam bem avaliados em relação à exigências da ISO/IEC 17025, caso almejem a certificação do INMETRO – processo chamado de “acreditação” e que possibilita ao laboratório a autorização para emissão de certificados.

Diante do que aqui foi afirmado, pode-se concluir que atender às exigências estabelecidas pela ISO/IEC 17025 é fundamental para que um laboratório tenha um bom conceito. 3. OBJETIVOS O objetivo geral desse projeto foi elaborar um sistema automatizado microcontrolado de controle de temperatura e umidade para laboratórios de calibração, de acordo com a norma NBR ISO/IEC 17025:2005. Os objetivos específicos foram:

• Estudar/analisar a norma NBR ISO/IEC 17025 • Definir o espaço físico do laboratório • Fazer o levantamento dos componentes e instrumentos que serão utilizados • Desenvolver o sistema de aquisição de dados (temperatura e umidade) e envio das

informações para um computador através da porta USB utilizando uma rede wireless • Testar o funcionamento do sistema • Analisar os resultados obtidos • Limitações e propostas para futuros trabalhos

4. METODOLOGIA 4.1 Estudo e análise da norma NBR ISO/IEC 17025

Na NBR ISO/IEC 17025 estão contidos os requisitos necessários para gerenciar laboratórios de ensaio e calibração, ou seja, a norma fornece todas as informações técnicas e exigências que devem ser cumpridas para o funcionamento correto de um laboratório. Ela também é utilizada pelo INMETRO como norma base para a certificação laboratorial (FUJIMURA et. al., 2008). Sendo assim, os laboratórios que desejam obter um bom conceito devem trabalhar de acordo com estes requisitos.

Para que esse projeto atinja seus objetivos, é imprescindível estudar aprofundadamente as exigências e informações técnicas contidas na NBR ISO/IEC 17025 e buscar meios de cumprir esses requisitos. 4.2 Definição do espaço físico para o laboratório

A definição do espaço físico do laboratório também é de extrema importância para que o projeto (sistema) obtenha bons resultados. Foi solicitado um espaço no Centro de Engenharias e Ciências Exatas da Universidade Estadual do Oeste do Paraná situado nas dependências do Parque Tecnológico de Itaipu. Nesse espaço também funcionará o grupo de pesquisa CITECS (Centro de Ciência e Tecnologia para Saúde), o qual tem como um dos principais objetivos o desenvolvimento de projetos de pesquisa, ensino e extensão para a área médica. 4.3 Levantamento dos componentes e instrumentos que serão utilizados

Serão utilizados vários componentes eletrônicos, tais quais microcontroladores PIC 16F877A (SOUZA, 2003), PIC 18F4550 (IBRAHIM, 2008), resistores, capacitores, osciladores de cristal, placas de circuito impresso, sensores (de temperatura e umidade), fonte de tensão, conversores a/d, etc. 4.4 Desenvolvimento do projeto

Depois de estudar a norma, definir o espaço físico e dispor dos instrumentos necessários, dá-se início ao desenvolvimento do projeto (sistema).

Nessa etapa será decidida a quantidade de sensores de temperatura e de umidade que serão utilizados no sistema, ou seja, sabendo a área que cada sensor abrange e as medidas do laboratório, é possível decidir a quantidade necessária de sensores. Também é possível determinar o posicionamento de cada sensor conforme o manual do fabricante.

Essa é a etapa mais longa do projeto, visto que exige maior tempo e dedicação para que as exigências teóricas sejam cumpridas. 4.5 Análise dos resultados obtidos

A análise dos resultados é a última fase do projeto. Nessa etapa é possível verificar se todo o sistema (sensores de temperatura e umidade, microcontroladores, etc) está funcionando de acordo com o padrão exigido pela norma ISO/IEC 17025. 4.6 Limitações e propostas para futuros trabalhos

Após todas as etapas anteriores realizadas, será possível saber as limitações desse projeto. É nessa fase em que todos os resultados obtidos (tanto os positivos quanto os negativos) são analisados e descritos criticamente. Essa análise tem grande importância para estudos e pesquisas posteriores, uma vez que suas conclusões permitem orientar, analisar, modificar ou aprimorar os resultados até então obtidos. 5. OBJETIVOS ALCANÇADOS 5.1 Estudo/análise da norma NBR ISO/IEC 17025

O desenvolvimento de um sistema de controle de temperatura e umidade para laboratórios de calibração deve seguir algumas normas para que possa ser aplicado na prática. Como a norma NBR ISO/IEC 17025 contém todas as informações necessárias que devem ser cumpridas para o correto funcionamento de um laboratório de calibração, o estudo e a análise da norma foram de extrema importância para a realização deste projeto.

5.2 Definição do espaço físico para o laboratório

O grupo de pesquisa CITECS (Centro de Ciência e Tecnologia para Saúde) está em funcionamento no LABEE (Laboratório de Eficiência Energética), localizado nas dependências do PTI (Parque Tecnológico de Itaipu). É neste laboratório que esse projeto foi desenvolvido. O local possui bancadas e computadores que auxiliam no desenvolvimento do projeto.

5.3 Levantamento dos componentes e instrumentos que serão utilizados

Esta etapa do projeto foi muito importante para que a realização da próxima etapa (desenvolvimento do projeto) fosse possível. Sem os componentes corretos, a construção do protótipo torna-se inviável.

Inicialmente, constava no levantamento dos componentes eletrônicos necessários apenas alguns componentes básicos, tais quais resistores, capacitores, transistores, fios, chaves (liga/desliga), botões e microcontroladores da família PIC. Porém, com o decorrer dessa etapa, constatou-se também a necessidade de um dispositivo para a rede wireless. A rede funciona através de rádio freqüência (rede Zigbee, padrão IEEE 802.15.4 – alcance de até 1600m).

Todos os componentes foram devidamente escolhidos e relacionados de acordo com suas características e especificações. 5.4 Desenvolvimento do projeto

O desenvolvimento foi a etapa mais longa e trabalhosa do projeto. Para que seja possível medir e monitorar a temperatura e a umidade de um laboratório de

calibração automaticamente, o sistema conta com um microcontrolador programável. Esse microcontrolador se comunica com os sensores de temperatura e umidade para realizar as leituras desses valores. Esses valores, por sua vez, são enviados através da rede wireless para um microcontrolador que realiza a comunicação com o computador através da porta USB (Universal Serial Bus). Assim é possível mostrar os valores de temperatura e umidade na tela de um computador.

5.4.1 O Protótipo

Para o desenvolvimento do projeto, foi necessária a construção de um protótipo. Segue uma foto do mesmo e uma breve descrição de seus componentes – maiores explanações e detalhes serão mencionados posteriormente.

Figura 1 – Foto do protótipo

1- Dispositivo de rede wireless – Xbee 2- Bateria de 9 V. Utilizada para alimentação do protótipo 3- Microcontrolador Microchip PIC 18F4550 4- Sensor SHT 71 – Sensor de umidade e temperatura da fabricante Sensirion 5- Reguladores de tensão – LM7805 e LM317. O regulador LM7805 abaixa a tensão de 9 V

da bateria para os 5 V utilizados na alimentação do microcontrolador. O regulador LM317,

combinado com mais dois resistores, abaixa a tensão de 5 V do outro regulador para 3,3 V, tensão utilizada na alimentação do dispositivo de rede wireless (Xbee)

6- Barra de pinos tipo 90° - Esses pinos só são utilizados quando não está sendo utilizada a bateria. Existem duas maneiras de alimentar o protótipo: Através da bateria ou alimentação externa (através dos pinos)

A seguir, uma figura do esquema geral do sistema:

Figura 2 – Esquema geral do sistema

5.4.2 Ambiente de programação / compilador Para medir e controlar a temperatura e a umidade, um algoritmo foi desenvolvido para o

microcontrolador. Para criar este algoritmo, foi escolhido um software livre chamado MikroC. A escolha deve-se ao fato de que, após tentativas com alguns softwares, o MikroC foi o que se adequou melhor às necessidades do projeto, pois trata-se, concomitantemente, de um ambiente de programação e um compilador. Ele possui também muitas ferramentas que auxiliaram e facilitaram a criação do algoritmo, incluindo suporte HID (Human Interface Device - Dispositivo de Interface Humana) – suporte necessário para realizar a conexão USB. 5.4.3 Microcontrolador

Inicialmente, o microcontrolador escolhido foi o PIC 16F877A. Porém, no decorrer do desenvolvimento do projeto, constatou-se a necessidade de se alterar o microcontrolador, pois o que até então havia sido escolhido não possuía uma memória de programa suficientemente grande nem hardware para conexão USB. Assim, ele foi substituído pelo PIC 18F4550, que cumpre com as duas necessidades, possuindo uma memória de programa bem maior e hardware que possibilita a conexão USB. 5.4.4 Sensor de temperatura e umidade

O sensor escolhido foi o SHT71 da fabricante Sensirion, também chamado de multi-sensor, pois faz a medição da umidade e da temperatura em um único sensor. Ele possui apenas um chip e sua saída de dados é digital. O conversor analógico/digital possui 14bit para a temperatura e 12bit para a umidade, o que torna sua resolução adequada ao projeto. Seu tamanho é pequeno e já vem calibrado de fábrica, além de apresentar um baixo consumo de energia.

De acordo com o datasheet do sensor, ele apenas pode realizar uma leitura a cada segundo, seja ela de temperatura ou umidade. Por se tratar de mudanças climáticas, ou seja, grandezas que não se alteram repentinamente, essa taxa de leitura é rápida o suficiente.

Segue uma foto do sensor:

Figura 3 – Sensor SHT 71 (SENSIRION, 2008)

5.4.5 Rede wireless A rede wireless utilizada foi a ZigBee (padrão IEEE 802.15.4 – alcance de até 1600m). O termo ZigBee é utilizado para especificar um conjunto de protocolos de comunicação de alto nível utilizando uma baixa potência, baseado na norma IEEE 802.15.4. Esse tipo de rede é designado para as redes sem-fio de área pessoal, também conhecidas como WPANs (Wireless Personal Area Networks). ZigBee é muito utilizada quando aplicações de rádio-frequência (RF) necessitam de uma baixa taxa de informação, uma longa vida para a bateria e segurança na rede.

5.4.6 Dispositivo de rede wireless

Para realizar a comunicação entre os microcontroladores, foi utilizado um dispositivo de rede wireless chamado Xbee. Os módulos Xbee são os encarregados da criação da rede ZigBee e do funcionamento da mesma.

Estes módulos possuem um baixíssimo consumo de energia, possibilitando assim utilizá-los por muito tempo sem a necessidade de trocar as baterias.

Segue uma foto do módulo Xbee:

Figura 4 – Módulo Xbee (ROGERCOM, 2008)

De acordo com Messias (2008), todos os módulos XBee podem se comunicar entre si sem

que seja realizada uma configuração antecedente ao uso, pois já vêm prontos para trabalharem numa rede ponto-a-ponto. Além disso, é possível configurá-los para funções como Coordenador, Roteador e Dispositivo Final.

Para melhor entendimento, segue uma figura que demonstra como uma rede ZigBee pode ser configurada através desses módulos:

Figura 5 – Rede de módulos Xbee configurados como ZC, ZR e ZED (ROGERCOM, 2008)

5.4.7 Algoritmos dos microcontroladores

Após as definições do ambiente de programação, do microcontrolador, do sensor, da rede e dispositivos para a comunicação wireless, deu-se início à criação dos algoritmos dos

microcontroladores. Esses algoritmos, responsáveis por realizar o controle de todo o sistema, apresentaram resultados satisfatórios. A descrição do funcionamento dos algoritmos segue abaixo: 5.4.7.1 Descrição do algoritmo do microcontrolador 1

Incialmente, o algoritmo envia um comando ao sensor SHT71, fazendo com que o sensor meça a temperatura. O sensor faz a medição, converte os valores analógicos em valores digitais e envia a informação ao microcontrolador através de apenas dois fios (um para o clock e outro para data/informação). O microcontrolador lê o valor da temperatura e salva esse valor em uma variável qualquer (descrita no algoritmo) em uma posição aleatória da memória. A leitura da umidade funciona da mesma forma, sendo que a da temperatura é feita anteriormente – as duas, no entanto, são medidas no mesmo sensor.

Logo após a leitura da temperatura e da umidade, através de um procedimento descrito no algoritmo, o microcontrolador transforma essas informações e as envia para o módulo Xbee através da comunicação RS-232.

O módulo Xbee, após receber as informações necessárias, se encarrega de enviar os valores da temperatura e umidade para o outro módulo Xbee, realizando assim a comunicação sem-fio com o outro microcontrolador. 5.4.7.2 Descrição do algoritmo do microcontrolador 2 O módulo Xbee, após receber as informações anteriormente citadas, envia-as para o microcontrolador 2. O microcontrolador recebe essas informações através da comunicação RS-232 (como citado anteriormente) e as salva em uma variável descrita no algoritmo.

Para mostrar os valores lidos na tela de um computador, bem como fazer a troca de informações entre o microcontrolador e o computador, foi escolhida a via USB – como já mencionado anteriormente. Apesar da maior dificuldade em se fazer a conexão via USB, a mesma foi escolhida pois, atualmente, pode ser encontrada em qualquer computador. Já a porta serial, assim como a porta paralela, são dificilmente encontradas nos computadores da atualidade. O algoritmo foi criado de modo que, a qualquer momento, o cabo USB do sistema pode ser conectado a um computador, mesmo durante a realização de uma medição. Através das interrupções que existem no microcontrolador e que foram corretamente descritas no algoritmo, quando o cabo USB é conectado em um computador, o microcontrolador pára a tarefa que está executando para realizar a conexão USB – procedimento que também é necessário para mostrar os valores no computador. Realizada a conexão, o microcontrolador retorna ao ponto onde estava anteriormente e continua realizar as tarefas que estavam sendo executadas. Isso demonstra que o sistema pode funcionar com ou sem um computador, sendo que sem um computador os valores não podem ser lidos, mas apenas medidos. 5.4.8 Leitura dos dados na tela de um computador Para que seja possível visualizar os dados, o software livre chamado MikroC foi escolhido devido às razões mencionadas no item 5.4.1. Esse software possui um console de HID (Human Interface Device - Dispositivo de Interface Humana). Através desse console, é possível realizar a comunicação com a porta USB. Esse console tem a propriedade de receber e enviar informações, tornando-se assim possível a comunicação do microcontrolador com o computador. Realizada a comunicação, os valores de temperatura e umidade lidos no começo do processo podem ser mostrados na tela do computador.

5.5 Análise dos resultados obtidos Através dos resultados encontrados pode-se dizer se o sistema está funcionando de acordo com o esperado ou não. Assim, caso seja necessário, devem-se realizar as adequações. O algoritmo desenvolvido para os microcontroladores demonstraram ótima eficácia, cumprindo com as necessidades do sistema. O software MikroC demonstrou ótima funcionalidade, realizando todas as tarefas necessárias, como comunicação com a porta USB, compilação dos códigos, console HID, etc. O sensor de temperatura e umidade cumpriu com o que foi proposto. Ele apresentou ótima precisão na leitura dos valores e uma eficiência muito boa, apesar de fazer apenas uma aquisição de dados por segundo. Os módulos Xbee funcionaram de acordo com o esperado. Desde a criação da rede ZigBee até a comunicação com os microcontroladores, incluindo a configuração. O envio e recebimento das informações com o microcontrolador funcionaram perfeitamente, não apresentando perda de

informação no caminho. O envio/recebimento de informações via rede ZigBee também se mostrou eficaz, não perdendo nenhuma informação no caminho. O sistema como um todo apresentou resultados bastante satisfatórios. Ele realizou a comunicação com os sensores e enviou as informações via rede sem-fio para o microcontrolador que fez a comunicação com o computador via USB. O sistema funcionou exatamente como o esperado. 5.6 Limitações e propostas para futuros trabalhos

Visto que este estudo visa apenas monitoramento e medição, sem, no entanto, interferir nos resultados obtidos, futuros trabalhos poderão ser realizados a fim de estudar uma maneira de atuar na temperatura e umidade dos laboratórios.

Também se sugere um teste em relação às possíveis interferências que possam impedir a correta troca de informações entre os módulos XBee, já que o presente projeto foi executado em um laboratório livre dessas possíveis interferências. 6. CONCLUSÃO

De acordo com o que os estudos de Fujimura et al. postulam, para um laboratório que deseja obter reconhecimento nacional e internacional, conseguir a certificação ISO/IEC 17025 é essencial e, para isso, precisa cumprir com as exigências da norma. Também é importante que os laboratórios sejam bem avaliados em relação às exigências da ISO/IEC 17025, caso almejem a certificação do INMETRO – processo chamado de “acreditação” e que possibilita ao laboratório a autorização para emissão de certificados.

Diante do que aqui foi afirmado, pode-se concluir que atender às exigências estabelecidas pela ISO/IEC 17025 é fundamental para que um laboratório tenha um bom conceito e, nesse sentido, este projeto estudou uma maneira de medir a temperatura e umidade em vários pontos de um laboratório de forma eficaz, já que a medição correta desses valores faz parte das exigências da norma.

Conclui-se também que a medição por ela mesma não basta, é necessário ter acesso aos dados de forma prática. Assim, neste projeto, fez-se uso da porta USB como forma de comunicação entre o microcontrolador e o computador, sendo este último o responsável por mostrar os dados obtidos.

Sabe-se ainda que, em muitos laboratórios, objetiva-se também controlar a umidade e a temperatura. Como afirmado anteriormente, este trabalho não se ocupa desse controle, concluindo-se, por fim, que este projeto é apenas um passo inicial no âmbito das medições dessas grandezas, contribuindo para futuros trabalhos que intentem manter ou modificar esses dados de acordo com os seus objetivos. Agradecimentos

Desejo agradecer ao meu orientador Carlos Henrique Pantaleão, que tornou este estudo possível, auxiliando-me de forma direta na orientação de todo o projeto.

Ao senhor José Paulo Nunes, por ter disponibilizado recursos financeiros para que toda a construção do protótipo fosse possível.

Gostaria de agradecer também à minha esposa, por ter me apoiado, mesmo que indiretamente, na realização desse estudo.

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Dados dos Autores Nome: Gabriel Einhardt Instituição: Universidade Estadual do Oeste do Paraná Endereço do autor: Travessa Lima Barreto, 849. AP 7A. Jardim Central. CEP: 85864-500. Foz do Iguaçu – PR – Brasil. Telefone: (45) 3027-1208 (residencial) / (45) 9967-1860 (celular) Email: gabrieleinhardt@gmail.com Nome: Roger Frederick Dupont Instituição: Universidade Estadual do Oeste do Paraná Endereço do autor: Rua Jurupoca, 383. Vila “A”. CEP: 85860-140. Foz do Iguaçu – PR – Brasil. Telefone: (45) 3524-4953 (residencial) / (45) 9976-0109 (celular) Email: rogerdupont@bol.com.br