VI Simpósio Í talo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

X-002 – SUPERVISÃO REMOTA VIA TELEFONIA CELULAR DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO ASSOCIANDO REATOR UASB E

BIOFILTROS AERADOS SUBMERSOS

Celso José Munaro(1)

Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, Brasil, em 1987. Mestrado e Doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas, SP, Brasil, em 1990 e 1994, respectivamente. Desde 1992 é professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Suas áreas de interesse envolvem controle de processos e sistemas de automação industrial.Paulo Faria Santos AmaralGraduou-se em Engenharia Eletrônica pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), São José dos Campos, SP, Brasil, em 1976 e obteve os títulos de Mestre em Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) em 1979 e Doutor em Engenharia Elétrica na Escola Politécnica da USP, em 1985. É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da UFES e suas áreas de interesse envolvem robótica e sistema microprocessados.Leonardo Pereira BastosGraduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), Vitória, ES, Brasil, em 1997 e atualmente é aluno do Mestrado em Automação da UFES.Rafael Lacerda AlvesGraduou-se em Engenharia de Computação pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), Vitória, ES, Brasil, em 1999 e atualmente é aluno do Mestrado em Automação da UFES.Ricardo Franci GonçalvesEngenheiro Civil e Sanitarista – UERJ (1984), Pós-graduado em Eng a de Saúde Pública -ENSP/RJ (1985), DEA - Ciências do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Água – INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e do PMEA - UFES.Renate WankeEngenharia Civil formada pela Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP). Especializada em Engenharia do Meio Ambiente na Universidade Federal do Espírito Santo em 2001. Engenheira Civil da Fluir Engenharia Ltda desde junho de 2000.

Endereço(1): Av. Fernando Ferrari, s/n – Campus Universitário de Goiabeiras – Prédio CT II – Vitória – ES – CEP: 29090-900 - Brasil - Tel: (27) 3335-2190 - e-mail: munaro@ele.ufes.br

RESUMOO problema de supervisão de processos via telefonia celular é aqui considerado. Um sistema composto por uma unidade microprocessada acoplada a um telefone celular e um computador com modem executando um programa especial permite supervisionar remotamente uma estação de tratamento de esgoto sanitário que associa um reator UASB e biofiltros aerados submersos. Os relatórios de operação contendo vazão de esgoto tratado, operações realizadas e eventuais falhas são disponibilizados remotamente. Além disso, uma ligação telefônica para um operador é automaticamente realizada se uma falha ocorrer.

PALAVRAS-CHAVE: Supervisão Remota, Supervisão via Telefone Celular, Tratamento de Esgoto Sanitário.

INTRODUÇÃOA comunicação entre equipamentos geograficamente distantes envolve tradicionalmente o uso de tecnologias de alto custo, limitando assim sua aplicação. Equipamentos de rádio ou satélites são os meios comumente utilizados para este fim. A recente expansão e popularização dos serviços de telefonia celular digital abriu novas perspectivas para atender necessidades de comunicações periódicas de curta duração. Em [1], a telefonia móvel é explorada para supervisão remota e aquisição de dados em sistemas de distribuição de energia. Em [2], aplicações para controle de tráfego são feitas.

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

VI Simpósio Í talo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

Em muitos processos, tais como aqueles ligados a saneamento ambiental, é comum a existência de plantas localizadas em locais remotos com dificuldade de acesso a meios usuais de comunicação. O acompanhamento da operação, nestes casos, é feito normalmente através de um operador. Os maiores inconvenientes relacionam-se com a precariedade de informações diárias de operação para acompanhamento bem como a impossibilidade de detectar falhas tão logo aconteçam e a pronta execução dos procedimentos adequados a cada caso. Em resumo, precisaríamos de um sistema de supervisão de processos usual, porém, com uma grande distância entre o processo e o computador onde o sistema supervisório está sendo executado. O problema reside no alto custo da comunicação entre o sistema supervisório e o processo. Este artigo descreve uma solução via telefonia celular digital para a supervisão remota de processos. Um sistema microprocessado para medição de vazão em vertedouros [3] foi interfaceado a um aparelho celular convencional permitindo o acesso remoto aos dados armazenados. Permite ainda a geração de alarmes em caso de falhas, onde um operador é comunicado por telefone, aumentando assim a confiabilidade da operação do processo.O sistema desenvolvido encontra-se instalado em uma estação de tratamento de esgotos e permite um acompanhamento rigoroso da quantidade de esgoto tratado e de eventuais falhas em estações elevatórias que alimentam a estação, melhorando assim a qualidade da operação.

TRANSMISSÃO DE DADOS VIA TELEFONE CELULARO uso de um telefone celular para a transmissão de dados entre estações supervisoras e controladores de processo ou mesmo para a troca de dados entre controladores é uma solução bastante confiável e de baixo custo, sendo uma opção importante a ser considerada na hora da escolha do tipo de comunicação a ser implementada.A utilização de telefone celular para a supervisão remota de processos tem como vantagens principais o baixo custo, quando comparada com a utilização de rádios convencionais, o alcance em áreas de cobertura cada vez maiores e a sua facilidade de utilização, para alguns tipos de processos a sua mobilidade também é uma vantagem significativa como no caso de automação e controle de processos em veículos.Como limitações principais podemos listar a sua utilização apenas em áreas de cobertura da operadora de telefonia que dispõe do serviço de transmissão de dados, a utilização de um aparelho de uso pessoal não projetado para o uso em aplicações industriais e também a falta de controle do usuário sobre a prestação do serviço.A transmissão de dados em um aparelho de telefone celular não é apenas uma função implementada no próprio aparelho. Para que esta transmissão seja possível é necessário que o aparelho contenha recursos para se comunicar serialmente com um computador e que a operadora do serviço de telefonia celular tenha implementado o serviço de transmissão de dados.Por exemplo, na operadora Telefônica Celular existe uma modalidade de serviços de transmissão de dados chamada Movistar Dados. Através desse serviço o usuário pode transmitir e receber chamadas de dados e fax na taxa de transmissão de 14.400 bps.Para implementação desse serviço é utilizado um elemento de rede denominado IWF-“InternetWork Function”, que tem a função de interligar a central CDMA à internet (para o serviço WAP) e às demais operadoras de telefonia (para os serviços de dados/fax). Além das funções de interconexão, o IWF possui as funcionalidades de servidor de acesso, possuindo um banco de modems, os quais são alocados toda vez que um aparelho celular CDMA origina ou recebe chamadas de dados.Portanto, ao realizar uma chamada via um computador conectado ao aparelho celular este envia via interface aérea todas as informações necessária (telefone de destino, comandos AT, etc) para que o modem alocado no IWF se conecte ao modem remoto no destino. É como se a rota telefone celular – ERB (Estação Rádio Base) –CCC (Central de Comutação e Controle) -IWF emulasse um cabo de interface RS-232 do computador usando o telefone celular até o modem de destino. Para que isto seja possível, é necessário que o número do aparelho de celular utilizado esteja configurado para comunicação de dados, o que deve ser solicitado junto à operadora do serviço.A figura 1 ilustra as diversas camadas de interligação necessárias para que este serviço possa ser implementado em uma rede de telefonia celular [4].

Figura 1: Camadas necessárias para a implementação do serviço de transmissão de dados em uma operadora de telefonia celular.

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

VI Simpósio Í talo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

Assim, quando a comunicação de dados é estabelecida, por meio de todas estas camadas de transmissão de dados, tudo se passa como se existisse um cabo virtual de comunicação serial interligando os dois processadores que desejam se comunicar.Este tipo de conexão apresenta alguns problemas que devem ser levados em conta para o desenvolvimento de programas de comunicação de dados via telefone celular. O primeiro problema é a baixa taxa de comunicação podendo atualmente chegar a 14400 bits por segundo. Para aplicações que trocam poucos dados esta velocidade não apresenta maiores dificuldades, sendo plenamente satisfatória. Entretanto, para aplicações do tipo de armazenamento de dados onde este volume é considerável (0,5 Mbytes a 4 Mbytes), o tempo de transmissão de dados vai para a ordem de horas, inviabilizando a utilização de telefone celular tanto pelo custo das ligações quanto pela demora na obtenção dos dados.O segundo problema e também o mais sério é o tempo de propagação da informação para sair do transmissor e chegar no receptor. Devido às várias camadas de transmissão de dados envolvidas no processo e também a existência de um enlace de rádio, este tempo de propagação, além de não ser constante, pode chegar a magnitudes da ordem de 1 segundo ou mais.Ocorre também o acúmulo de dados transmitidos para o celular com a transmissão posterior enfileirada de todos os dados acumulados. Assim, o tempo de propagação, junto com este acúmulo de dados exige o projeto de protocolos confiáveis, com detecção de erro, reconhecimento e retransmissão de pacotes com erros. Protocolos implementados com caracteres especiais únicos como cabeçalho e fim de pacote, junto com uma máquina de estado robusta para a recuperação dos pacotes são obrigatórios para a implementação destes protocolos usando telefones celulares.Outro cuidado importante neste tipo de transmissão de dados deve ser com a determinação dos tempos de espera (“time out”). Eles devem ser calculados levando-se em conta o maior tempo de propagação na conexão. Este tempo praticamente dobra quando a comunicação é de celular para celular.A determinação do tamanho do pacote exerce uma função importante para a performance do sistema. Caso o pacote seja pequeno, os erros devido ao enlace de rádio são menores, mas devido ao tempo de propagação e a implementação de protocolos com reconhecimento, a performance do sistema de comunicação fica muito baixa. Pacotes maiores implicam inicialmente em um aumento da performance devido ao tempo de propagação, porém são mais sujeitos a erros devido ao enlace de rádio, obrigando a retransmissão de um pacote grande causando uma diminuição da performance. Para este compromisso de performance verificamos experimentalmente que pacotes na faixa de 1 Kbytes a 2 Kbytes deram os melhores resultados para nossa aplicação.Uma dificuldade adicional para a utilização de celulares em transmissão de dados é o fato de usarmos um celular convencional. Este celular foi projetado para uso pessoal e em um sistema de controle de processos ele deverá estar ligado a um computador que deverá operar 24 horas por dia. Problemas de carregamento da bateria de forma a garantir que o celular fique sempre energizado devem ser resolvidos, porque, se em algum momento o celular desligar, só um comando manual fará com que ele ligue novamente. A despeito de todas estas dificuldades na utilização de telefones celulares para a transmissão de dados, uma vez solucionados estes problemas inerentes ao sistema, pode-se obter um serviço bastante barato e confiável

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

VI Simpósio Í talo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

para interligar processos remotos e ou móveis usando esta tecnologia que está facilmente ao alcance de todos. Com a previsão de entrada em funcionamento dos celulares de terceira geração, espera-se que alguns destes problemas sejam eliminados (como velocidade de transmissão), o que permitirá a utilização deste sistema para um número maior de aplicações.

SISTEMA DE SUPERVISÃO DESENVOLVIDOA abordagem de supervisão remota aqui apresentada é adequada para o acompanhamento periódico (não contínuo) de processos. O sistema supervisório se conecta ao processo para obter relatórios periódicos de operação. Havendo uma falha ou algum evento extraordinário, o operador é imediatamente comunicado, podendo então intervir.Na figura 2 são mostrados os elementos principais que compõem o sistema de supervisão proposto. O medidor microprocessado mede a vazão que chega à estação de tratamento através da informação de nível, obtida via ultra-som, no vertedouro triangular. As medidas são armazenadas e também visualizadas em um mostrador digital. A freqüência com que estas medições são armazenadas é definida pelo usuário. O sistema microprocessado é bastante robusto a ambientes hostis e falhas no fornecimento de energia elétrica. Os dados são armazenados em memória não volátil. A conexão do medidor ao celular é feita via cabo especial fornecido pelo fabricante do mesmo. O microprocessador envia comandos ao celular para configurá-lo para comunicação de dados. A partir deste instante, o microprocessador está apto a receber e efetuar chamadas de dados com o sistema de supervisão remoto.

Figura 2: Elementos do sistema de supervisão.

O sistema de supervisão remoto é composto de um computador com modem, ligado a uma linha telefônica ou a um celular (sem necessidade de modem). Um aplicativo é executado no computador para fazer a supervisão do medidor (figura 3).

Ao executar o aplicativo, o número do celular é informado e uma conexão é solicitada. Estabelecida a conexão, as informação de nível, vazão e temperatura do ar são mostradas em tempo real nos campos da janela do programa. O número de bytes armazenados é informado bem como os parâmetros utilizados para configurar e calibrar o medidor e sua operação. O campo telefone Callback contém o número do telefone do operador que deve ser chamado em caso de falhas. Na aplicação feita, o sistema microprocessado foi configurado para avisar o operador caso a vazão de esgoto chegando à estação seja inferior a determinado valor durante o período de tempo também especificado. Assim, falhas na estação elevatória que alimenta a estação de esgoto podem ser facilmente detectadas.

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

VI Simpósio Í talo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

Figura 3: Aplicativo para supervisão.

Foi utilizado um celular pré-pago de baixo custo no medidor. As despesas de comunicação são pequenas, pois as chamadas não são originadas do celular pré-pago, sendo também pouco freqüentes. Na figura 3 é mostrada a forma como o equipamento microprocessado é instalado no topo da estação de tratamento. O esgoto chegando à ETE passa por vertedouros triangulares, como o mostrado. A medição de nível por ultra-som gera a informação de vazão necessária.

Figura 4: Instalação do equipamento microprocessado na ETE.

CONCLUSÕESApresentamos neste trabalho um sistema para supervisão remota de uma estação de tratamento de esgotos compacta via telefonia celular digital, permitindo o acesso a qualquer momento de dados bem como relatórios de operação da mesma. O sistema proposto permite ainda que operadores sejam automaticamente comunicados caso um evento extraordinário ocorra. Para a aplicação discutida, foi medida a vazão de esgoto chegando à ETE e detectado o evento de falta de esgoto durante um período pré-determinado. Processos que não exijam acompanhamento contínuo de sua operação podem ser perfeitamente monitorados remotamente através do sistema aqui proposto.

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

VI Simpósio Í talo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS1. CHEUNG, R.W.-L. YU-FAI FUNG TIN-KIN HO. Mobile communication in power distribution

application. IEEE Pacific Rim Conference on Communications, Computers and signal Processing. pp.639-642. vol.2, 26-28 Aug. 2001 Victoria, BC, Canada, 2001.

2. ASTARITA, V. FLORIAN, M.CALABRIA. The use of mobile phones in traffic management and control. Proceedings of IEEE Intelligent Transportation Systems. pp.10-15. 25-29 Aug. 2001. Oakland, CA,USA, 2001.

3. MUNARO,C.J., AMARAL,P.F.S, BASTOS, L.P., DA COSTA,W.T., VIVACQUA,R.P.D. Sistema de medição microprocessado para estações compactas de esgoto sanitário, XXVII CONGRESSO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL 2001. João Pessoa, PB, 2001.

4. Telefonia Celular, apresentação do serviço Movistar Dados, Vitória, 2000.

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6