TCCF 23 02 (Reparado)
Descrição do Produto
Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP
Escola De Minas - EM
Colegiado do curso de Engenharia de Controle e Automação – CECAU
JÔNATAS HENRIQUE VILELA PEREIRA
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA PARA MONITORAR BIOTÉRIOS
MONOGRAFGIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Ouro Preto – 2014.
JÔNATAS HENRIQUE VILELA PEREIRA
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA PARA MONITORAR BIOTÉRIOS
Monografia apresentada ao curso de
Engenharia de Controle e Automação da
Universidade Federal de Ouro Preto como
parte dos requisitos para obtenção de grau
como Engenheiro de Controle e Automação.
Orientador: Prof. D. Sc. Alan Kardek
Rêgo Segundo.
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Fevereiro/2014.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus pais Evandro e Alba, aos meus irmãos
Flavio e Flaviane, à minha companheira, amiga e amante Ludmilla, ao meu
professor orientador Alan Kardek e aos incontáveis irmãos de caminhada
depois de, principalmente, dedicar a Deus que é quem sustenta o fôlego,
energia e paz da minha vida...
AGRADECIMENTOS
Agradeço pelo amor, paciência, sustento constante durante longos anos da
minha vida oferecidos por meus pais que sacrificaram e adiaram seus sonhos
em detrimento dos meus, mesmo que dispersos, por vezes fantasiosos e que
demoraram a tomar caminhos concretos e práticos.
Agradeço aos meus irmãos, de alma, de sonhos, de boas lembranças, de
lembranças marcantes, de traumas da existência que fazem de mim quem sou.
Agradeço a todos os professores universitários, estudantes, amigos, sábios
que me iluminaram de alguma forma.
Agradeço a Jesus que foi e sempre será a maior luz que se revelou a mim.
Agradeço a Deus que me guiou aos meus amigos e à minha esposa querida,
conhecidos em Ouro Preto no tempo determinado, e me deu nessa cidade linda,
misteriosa, cheia de história e tradição um ponto de início de minha vida
profissional, assim como de minha vida espiritual mais profunda e prática
do verdadeiro evangelho da cruz, da paz, da graça, das alegrias
indescritíveis, da liberdade de conceitos e preconceitos que são sombras da
realidade, do evangelho da vida e não da morte, do aprofundamento dá fé
verdadeira que não olha as circunstâncias passageiras, mas tem os olhos na
eternidade, com os pés e mãos no presente.
Agradeço por cada momento único vivido nesta instituição federal que,
portanto, tem cada contribuinte como promotor dessa educação gratuita para
mim e muitos outros estudantes.
"Caminhamos pela fé e não pela visão"
Paulo de Tarso
SUMÁRIO
I.
INTRODUÇÃO........................................................
.....................................1
II. APRESENTAÇÃO DOS
PARAMETROS..................................................6
2.1 Parâmetros globais 6
2.2 Parâmetro térmico 8
2.3 Parâmetro acústico 9
2.4 Parâmetro de concentração de amônia
9
2.5 Parâmetro de luminosidade
10
2.6 Parâmetro de umidade relativa
11
III. MATERIAIS, METODOS E
ATIVIDADES..............................................12
3.1 Descrição do sistema
12
3.2 Especificação dos materiais
12
3.2.1 Sensores Eletrônicos de Instrumentação
12
3.2.1.1 Sensor de som 13
3.2.1.2 Sensor de amônia
18
3.2.1.3 Sensor de temperatura
29
3.2.1.4 Sensor de umidade
30
3.2.1.5 Sensor de luminosidade
32
3.2.2 Transmissão de dados
34
3.2.3 Microcontroladores
38
3.2.3.1 Interrupções
39
3.2.3.2 Portas
39
3.2.3.3 Comunicação serial
39
3.2.3.4 PIC16F873A
40
3.2.3.5 PIC18F4550
42
IV.
RESULTADOS........................................................
......................................44
4.1 Módulo emissor
44
4.2 Módulo coletor
47
4.3 Aplicativo no Sistema Operacional Windows
49
V.
CONCLUSÃO.........................................................
......................................53
REFERÊNCIAS
BIBLIOGRAFICAS..............................................................
.................54
ANEXO
1...........................................................................
............................59
ANEXO
2...........................................................................
............................63
ANEXO
3...........................................................................
............................71
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Ilustração da influência dos parâmetros em
humanos...............................6
Figura 3.1 - Microfone de
eletreto....................................................................
............14
Figura 3.2 - Mudança da tensão de
repouso..................................................................16
Figura 3.3 - Amplificação do sinal do
microfone.........................................................17
Figura 3.4 - Amplificador
operacional.................................................................
.........17
Figura 3.5 - Esquema elétrico da captação e amplificação do sinal
sonoro .................18
Figura 3.6 - Elementos do sensor
TGS826....................................................................19
Figura 3.7 - Esboço básico de funcionamento do circuito
elétrico...............................20
Figura 3.8 - Dimensão do
sensor......................................................................
.............21
Figura 3.9 - Gráfico de sensibilidade a vários gases (Rs/Ro vs.
ppm)..........................24
Figura 3.10 - Gráfico de sensibilidade a vários gases (VRL vs.
ppm)...........................25
Figura 3.11 - Gráfico de dependência da temperatura e umidade (Rs/Ro
vs.
Temperatura)................................................................
.............................................................25
Figura 3.12 - Gráfico de dependência da tensão de aquecimento (VH)
(Rs = Rs em 50ppm de amônia, Ro = Rs em 50 ppm de amônia e VH = 5.0V
DC).....................................27
Figura 3.13 - Gráfico de tempo de resposta (RS vs.
Tempo)........................................28
Figura 3.14 – Configuração dos terminais do
TGS826.................................................28
Figura 3.15 – Alimentação mínima (V vs.
°C)..............................................................30
Figura 3.16 – Estrutura básica do sensor HIH-
3610.....................................................31
Figura 3.17 – Gráfico de saída
relativa....................................................................
.....32
Figura 3.18 – Estrutura e aparência do
LDR.................................................................33
Figura 3.19 - Formato para enviar comandos ATs ao módulo
Xbee.............................35
Figura 3.20 - Ponto-Multiponto
(Brodcast)..................................................................
36
Figura 3.21 - Topologia ponto-a-ponto
1......................................................................36
Figura 3.22 - Topologia ponto-a-ponto
2......................................................................37
Figura 3.23 - Encriptação AES 128-
b...........................................................................
37
Figura 3.24 - Ilustração da função dos terminais do
PIC16F873A...............................40
Figura 3.25 - Diagramas de blocos do
PIC16F873A....................................................41
Figura 3.26 - Ilustração da função dos terminais do
PIC18F4550................................42
Figura 3.27 - Diagrama de blocos do
PIC18f4550........................................................43
Figura 4.1 - Esquema de montagem dos componentes do
ME.....................................45
Figura 4.2 - Trilhas de cobre e localização dos componentes do
ME...........................46
Figura 4.3 - Esquema de montagem dos componentes do
MC.....................................47
Figura 4.4 - Trilhas de cobre e localização dos componentes do
MC...........................48
Figura 4.5 - Tela de apresentação do Software do
Windows........................................49
Figura 4.6 - Apresentação dos dados após entrada no
sistema.....................................50
Figura 4.7 - Diagrama do Esquema Relacional do Banco de
Dados............................51
Figura 4.8 - Montagem do Banco de dados no VS
2012..............................................52
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Condições do circuito e
operação.............................................................22
Tabela 3.2 –
Especificações..............................................................
............................22
Tabela 3.3 – Dependência da temperatura e
umidade...................................................26
LISTA DE SIGLAS E GRANDEZAS
A/D - Analógico digital
C - Capacitância
CA - Corrente alternada
CC - Corrente contínua
CEUAS - Comissões de Ética no Uso de Animais
COBEA - Colégio Brasileiro de Experimentação Animal
CONCEA - Conselho Nacional de Controle de Experimentação Animal
FET - Transistor de Efeito de Campo
IBUTG - Índice de Bulbo Úmido e Termômetro de Globo
ICLAS - Conselho Internacional para Laboratórios de Ciência Animal
L - Luminosidade em Lux
LOAEL - Mais Baixo Nível Efetivo Observado
MC - Módulo coletor
ME - Módulo emissor
NOAEL - Sem Nível Efetivo Observado
Q - Carga
R - Resistência em ohms
RL - Resistência de carga
Rx - Receptor de dados
SBCAL - Sociedade Brasileira de Ciência de Animais de Laboratório
Tx - Transmissor de dados
UR - Umidade relativa
V - Tensão em volts
Vc - Tensão do circuito
VH - Tensão de aquecimento
Vrep - Tensão de repouso
VRL – Sinal do sensor TGS826
RESUMO
Conforto de ambiente e qualidade do ar inalado são necessidades básicas
para manutenção da saúde e para a sustentação da produtividade elevada em
uma infinidade de ambientes profissionais. Em termos climáticos, ambientes
internos de casas, edifícios e diversos tipos de edificações, se
convencionam chamar de microclima. Com o auxílio da automação, diversos
parâmetros podem ser monitorados e controlados. Entretanto, os mais
significativos para o ambiente de pesquisas laboratoriais em animais
(biotério), objeto desta pesquisa, são a variação brusca e de alta
intensidade sonora, concentração de amônia no ar, temperatura, luminosidade
e umidade relativa. Estes parâmetros devem estar dentro de limites
admissíveis para o bom funcionamento das funções orgânicas dos animais em
estudo, bem como das pessoas envolvidas no microclima. Sensores podem ser
utilizados para monitorar estas variáveis ao longo do tempo, armazenando-as
em um banco de dados. Com base nestas medições, ações de controle podem ser
tomadas para tornar as condições do ambiente próximas da desejada. O
monitoramento e controle destes parâmetros proporcionarão uma investigação
mais detalhada sobre as condições que os animais são expostos, corroborando
a confiabilidade das pesquisas laboratoriais. Neste trabalho foi realizado
um estudo sobre o desenvolvimento de um sistema microcontrolado para
monitorar ruído, temperatura, umidade, luminosidade e concentração de
amônia em biotérios.
Palavras chaves: Qualidade do ar, microclima, aquisição de dados, sistema
microcontrolado pesquisa laboratorial.
ABSTRACT
Environment and quality of inhaled air comfort are basic needs for health
maintenance and to sustain high productivity in a multitude of professional
environments. Climatically, indoor environments like homes, buildings and
various types of buildings, it conventionally call microclimate. With the
aid of automation, several parameters can be monitored and controlled.
However, the most significant for the environment of laboratory animal
research (vivarium), object of this research, are the sharp and high sound
intensity variation, concentration of ammonia in the air, temperature,
luminosity, relative humidity. These parameters must be within allowable
limits for the proper functioning of the organic functions of the study
animals as well as people involved in microclimate. Sensors can be used to
monitor these variables over time, storing them in a database. Based on
these measurements, control actions can be taken to make the conditions of
the nearby environment desired. The monitoring and control of these
parameters provide a more detailed investigation on the conditions to which
the animals are exposed, confirming the reliability of laboratory research.
In this paper a study on the development of a microcontroller system to
monitor noise, temperature, humidity, light and concentration of ammonia in
bioterium was conducted.
Keywords: Air quality, microclimate, data acquisition, microcontroller
system, laboratory research.
INTRODUÇÃO
Há séculos os animais são utilizados pelo homem, seja na alimentação, na
força física ou em consórcio com a ciência na busca por avanços na área de
saúde. Neste sentido, a melhoria e a padronização das condições de
manutenção e de experimentação tornam-se fatores imprescindíveis para o
controle dos resultados e o avanço das técnicas empregadas (POLITI et al.,
2008).
Os trabalhos científicos na área biológica do conhecimento contribuem de
forma inquestionável para o bem estar tanto do homem quanto dos animais.
Porém, as informações necessárias para o avanço de determinadas pesquisas
não podem ser obtidas somente pela observação e pelo registro daquilo que
ocorre e, por isso, a experimentação científica faz-se necessária para que
o conhecimento perpetue-se. O uso de animais em estudos científicos é uma
prática comum utilizada há muito tempo. Para que ela seja aceitável, é
necessário buscar uma postura ética em todos os momentos do desenvolvimento
das pesquisas (PAIVA et al., 2005).
Atualmente, apesar de todos os esforços da comunidade científica a fim de
reduzir e substituir a utilização de animais de laboratório na
experimentação biológica, ainda não foi possível abandonar o uso deles na
avaliação da farmacocinética e seguridade dos mais diferentes produtos
(FELASA et al., 1999;).
Assim sendo, a preocupação com o bem-estar animal encorajou experimentos
com a intenção de melhorar as condições de manuseio, objetivando a melhor
padronização de parâmetros necessários para a realização dos ensaios
biológicos (MARONA & LUCCHESI et al., 2003).
No século XVI, na Inglaterra, Francis Bacon fez uma reflexão sobre a
experimentação animal, onde afirma que o avanço da ciência se faz através
de suas observações, na sua obra intitulada Proficience and Advancement of
Learning Divine and Human, publicada em 1605 (D'AVILLA et al., 2008).
A partir da publicação e divulgação das ideias contidas no livro "A Origem
das Espécies" de Charles Darwin, em 1859, estabeleceram-se os pressupostos
da relação existente entre as diferentes espécies animais em um único
processo evolutivo. Com isto, começaram a serem encorajadas as
extrapolações dos dados obtidos em pesquisas com modelos animais para seres
humanos (PAIVA et al., 2005).
Durante muitos anos as pesquisas que utilizam modelos animais sofreram
poucos questionamentos, devido, sobretudo, ao seu impacto na sociedade,
trazendo melhorias e benefícios à saúde pública tais como as vacinas contra
raiva, tétano e difteria, além dos interesses econômicos defendidos pelas
poderosas indústrias farmacêuticas. Por outro lado, nesta mesma época
surgiram inúmeras sociedades de proteção aos animais (PAIVA et al., 2005).
Em 1959, a publicação do livro Principles of Human Experimental Technique,
pelos biólogos William M. S. Russell e Rex L. Burch, expôs uma nova
alternativa na utilização de animais para experimentação. Os autores
estabeleceram o conceito dos "três Rs": Replace (substituir), Reduce
(reduzir) e Refine (aprimorar). Segundo os autores, tal proposta não
impediria a utilização de modelos animais em experimentação, mas realizaria
uma adequação no intuito de humanizá-la (PAIVA et al., 2005).
Em 1975, com a publicação do livro Animal Liberation, escrito pelo
professor australiano Peter Singer, houve o ressurgimento da discussão
sobre a utilização de animais em pesquisas e em outras atividades, causando
muita polêmica, sobretudo por descrever as condições as quais os animais
eram submetidos pela indústria de cosméticos e pelos criadores rurais
(PAIVA et al., 2005).
No dia 27 de janeiro de 1978 a Assembleia da UNESCO, realizada em Bruxelas
na Bélgica, influenciada pela grande repercussão gerada pelo livro do
professor Singer, proclamou a Declaração Universal dos Direitos dos Animais
(SCHNAIDER & SOUZA, 2003).
As instituições produtoras de imunobiológicos e fármacos carecem de uma
grande quantidade de animais saudáveis e com constituição genética definida
para serem utilizados no controle de qualidade, pois o produto final, por
exigências farmacopeicas e de manuais da Organização Mundial da Saúde, deve
ser testado em organismos vivos, chamado de teste "in vivo" (SILVA et al.,
2003).
Além das grandes indústrias, universidades e outros centros de pesquisa
também requerem animais de boa procedência para a condução de seus
experimentos. Para suprir esses centros de pesquisa, surgiram os biotérios,
que são definidos como áreas destinadas à criação e à manutenção de animais
de laboratório em condições sanitárias, dentro de padrões rigorosamente
estabelecidos, respeitando as normas éticas e as leis de manipulação e
vivissecção (CARDOSO, 2001).
Biotérios são instalações capazes de produzir e manter espécies de animais
para pesquisa em diferentes áreas da ciência. Independente da espécie ou
linhagem utilizada é importante que o manejo e a manutenção dos animais de
laboratório sejam de acordo com os princípios éticos na experimentação
animal. Os cuidados com o ambiente e microambiente, bem como as condições
sanitárias do biotério, são indispensáveis para não haver interferência nos
resultados das pesquisas. Faz-se necessário incentivar os pesquisadores a
unificar esforços para a implantação de biotérios setoriais na instituição,
visando à otimização de espaços e de recursos humanos e financeiros
destinados à manutenção dos animais. Assim, as instituições de pesquisa
devem investir na construção e manutenção de biotérios de criação e de
experimentação, com o intuito de promover o desenvolvimento da ciência e
tecnologia, com reflexos diretos na saúde pública (LAUZ et al., 2008).
Pode-se separar os biotérios segundo a finalidade a que se destinam. Os
biotérios de criação são aqueles onde são produzidas e mantidas as matrizes
das linhagens, com controle rigoroso da saúde dos animais e esquemas
especiais de cruzamentos para manutenção das características genéticas,
assegurando os padrões de qualidade. Os biotérios de produção são aqueles
onde se criam grandes quantidades de animais para atender às pesquisas,
recebendo matrizes dos biotérios de criação e, por fim, os biotérios de
experimentação que se destinam a receber os animais dos biotérios de
produção para utilizá-los na experimentação, funcionando como infectório
(CARDOSO, 2001).
No Brasil, a primeira manifestação legal sobre o bem estar dos animais foi
o Decreto Federal n° 24.645, de 1934, que estabelecia penas que variavam de
multas a prisões para aqueles que praticassem atos de abuso ou crueldade,
seja em pesquisas ou apenas no trato cotidiano dos animais (BRASIL, 1934).
Em 1979, a Lei Federal n° 6.638 é promulgada, estabelecendo normas para a
prática didático-científica de vivissecação de animais, porém, como não foi
regulamentada, não pôde ser aplicada (BRASIL, 1979). Em 1991, o então
Colégio Brasileiro de Experimentação Animal (COBEA), atual Sociedade
Brasileira de Ciência de Animais de Laboratório (SBCAL), filiado ao
International Council for Laboratory Animal Science (ICLAS), visando suprir
a ausência de uma lei que protegesse os profissionais envolvidos com esta
prática e regulamentasse o uso de animais em experimentos, elaborou 12
artigos intitulados Princípios Éticos na Experimentação Animal (COBEA,
1991).
Em 1998, entrou em vigor a Lei de Crimes Ambientais (Lei n° 9.605),
devidamente regulamentada pelo Decreto n° 3.179, de 1999, a qual adotou,
parcialmente, as noções contidas no conceito dos "três Rs" (BRASIL, 1998).
Atualmente, após tramitar por 13 anos, foi aprovada a Lei n° 11.794, em
8/10/2008, regulamentada pelo Decreto n° 6.899, em 15/7/2009, estabelecendo
a implantação do CONCEA - Conselho Nacional de Controle de Experimentação
Animal, das CEUAS - Comissões de Ética no Uso de Animais, além dos
procedimentos e as responsabilidades para uso de animais de laboratório
(BRASIL, 2008; BRASIL, 2009).
É incalculável o valor da contribuição dos animais de laboratório às novas
descobertas para a prevenção de doenças e para a sua cura, bem como para o
desenvolvimento de novas técnicas de tratamento cirúrgico. Atualmente o
animal de laboratório é prioritário no campo da experimentação, e os
centros de produção desses animais têm uma grande preocupação com sua
produção e manejo (PINTO, 2002).
Esses animais representam modelos adequados e, portanto, necessários ao
estudo de diferentes modalidades da biologia e medicina experimentais.
Assim, o desenvolvimento da biotecnologia depende da utilização desses
animais que necessariamente terão de ser "limpos" para que não haja
interferência nos resultados das pesquisas (PINTO, 2002).
A produção e o desenvolvimento de vacinas e de anticorpos monoclonais, a
avaliação e o controle de produtos biológicos, os estudos de farmacologia e
toxicologia, estudos de bacteriologia, virologia e parasitologia, estudos
de imunologia básica, de imunopatologia, de transplantes e de drogas
imunossupressoras etc., exigem o emprego de animais definidos genética e
sanitariamente (PINTO, 2002).
Pelas razões descritas anteriormente e pela necessidade das experimentações
serem realizadas em animais antes que qualquer produto seja aplicado ao
homem – uma vez que este não pode ser transformado em cobaia. O bioterismo
assume um papel de suma importância, mediante a produção desses animais e
sua posterior utilização, e deve ser encarado com total responsabilidade
tanto por parte daqueles que desenvolvem tais atividades quanto por parte
de dos órgãos fiscalizadores (PINTO, 2002).
A importância da pesquisa cientifica seja ela em qualquer área do
conhecimento tem um caráter essencial do homem: A busca por satisfazer suas
curiosidades alcançando respostas e solução de problemas. No caso dos
biotérios temos problemas quanto ao desconforto e insalubridade que o
ambiente de Biotério pode gerar e a confiabilidade dos resultados das
pesquisas.
Este trabalho também visa agregar confiabilidade a pesquisas laboratoriais
feitas em Biotérios para as mais diversas finalidades nas áreas de saúde,
ciências biológicas e tecnológicas.
Sua justificativa, portanto, além de econômica, é oferecer condições mais
adequadas para trabalhadores e cobaias.
Diante do exposto, propõe-se:
i. Realizar estudo sobre o desenvolvimento de um sistema de monitoramento
de intensidade sonora, concentração de amônia no ar, temperatura,
luminosidade e umidade relativa do ar para biotérios.
ii. Especificar todos os dispositivos eletrônicos do sistema.
iii. Desenvolver programa computacional para gerenciar todo o sistema e
armazenar as variáveis mensuradas em um banco de dados.
APRESENTAÇÃO DOS PARÂMETROS
2.1 Parâmetros das variáveis globais
Toda relação do homem com o meio se dá através da interação dos mecanismos
sensoriais. Para aprofundamento das questões relativas ao conforto térmico,
acústico e luminoso em estabelecimentos de saúde é necessário separar as
inter-relações sensoriais. É sabido, por exemplo, que um espaço
termicamente equilibrado pode gerar sensação térmica de desconforto quando
o usuário está submetido a situações de ruído ou de ofuscamento (OLIVEIRA e
RIBAS, 1995).
A Figura 2.1 mostra um esboço da atuação dos parâmetros nos humanos.
Figura 2.1: Ilustração da influência dos parâmetros em humanos.
Fonte: MINISTÉRIO DA SAÚDE, 1995.
A boa qualidade do ar dentro dos ambientes climatizados, mais do que uma
conformidade legal, melhora muito a qualidade de vida e a produtividade das
pessoas. Um homem adulto inspira cerca de 2000 litros de ar por dia,
consumindo em média 400 litros de oxigênio. Esses valores variam de acordo
com a atividade física de cada um, como também em função da qualidade do ar
inspirado. As medidas de prevenção da qualidade do ar são necessárias para
evitar agravamento ou uma crise aguda de doenças respiratórias, irritação
nos olhos, tosse seca, fadiga, sonolência, dificuldades de concentração,
dores de cabeça e articulares, dentre outras (COMFORTO AMBIEMTAL, 2012).
Um biotério adequado às normas deve ser um ambiente estável, livre de
odores indesejáveis, com iluminação e temperatura adequadas a cada espécie,
sendo um ambiente livre de microrganismos patogênicos, endoparasitos e
ectoparasitos. Para se ter uma boa qualidade do ar, por exemplo, deverá
ter filtrações eficientes com 10 – 15 trocas de ar por hora, de modo
a não permitir a recirculação, sendo feito uma inspeção de temperatura
diariamente para certificar a temperatura ideal para cada espécie de
animal (DAMY et al., 2010).
Existem várias definições de estresse: Selye (1976); Ewbank (1973) Fraser,
Ritchie & Fraser (1975); Moberg (1985); Broom (1988); Manser (1992). Porém,
todos concordam em que 'o estresse ocorre quando condições adversas
produzem respostas fisiológicas no indivíduo'. Essa resposta é uma
tentativa do animal de manter a sua homeostase, ou seja, o equilíbrio
fisiológico normal do corpo. Algumas definições incluem certos padrões
comportamentais que podem ajudar a restaurar a homeostase e, assim,
facilitar as adaptações fisiológicas ao estresse. Deve-se sempre lembrar
que estresse é um estado, e que estressor é a causa (RIVERA, 2002).
Várias condições podem causar estresse psicológico. Entre elas, cabe
salientar:
novidade;
estímulos indutores de medo;
fatores sociais;
incapacidade de realizar padrões normais de comportamento;
causas de dor, desconforto e doença;
antecipação de dor e desconforto;
manejos que levem à frustração ou ao conflito;
procedimentos que causem doenças ou indisposição.
Dentro das condições que podem induzir estresse psicológico, tanto em
humanos quanto em cobaias, podemos perceber a relação com os parâmetros de
interesse para o desenvolvimento do sistema que serão analisados de forma
individual.
2.2 Parâmetro térmico
Apesar da eficiência dos mecanismos termorreguladores, as altas
temperaturas ambientais e a umidade do ar, juntamente com o trabalho
muscular extenuante e a falta de aclimatação, podem levar a pessoa ao
estresse por calor. Este pode ocorrer tanto em ambientes internos quanto
externos, seja em competições esportivas ou em determinados ambientes
laborais. As doenças térmicas brandas mais comuns, ou seja, que não
comprometem o sistema termorregulador são a síncope e o edema por calor. Já
as doenças relacionadas com quadro de desidratação e hipertermia configuram-
se como emergência médica, devendo ser prontamente identificadas e tratadas
para evitar maiores complicações (CAMARGO e FURLAN, 2011).
A temperatura ambiental para roedores é de 22°C ± 2°C, para coelhos
18°C ± 2°C e para suínos adultos 16°C ± 2 °C. Uma diminuição da
temperatura ambiente pode aumentar a suscetibilidade dos animais e
desenvolver infecções, como também: a falta de ventilação adequada,
aliada à alta densidade demográfica, e, a falta de higienização das
gaiolas, levam ao aumento da concentração de amônia no ar da sala dos
animais, causando irritação na via aérea superior, o que mostra a
importância do controle diário da temperatura e ventilação (DAMY et
al., 2010).
Para a determinação dos índices de conforto térmico, é necessário
conhecimentos a respeito das variáveis físicas do ambiente térmico
avaliado. A norma internacional ISO 7243/89 – estimativa de estresse por
calor em ambientes quentes sobre o trabalhador – é baseada no índice IBUTG
(índice de bulbo úmido e termômetro de globo). Este índice determina as
condições ambientais reais do ambiente térmico avaliado e se este se
apresenta adequado ou não para ocupação humana. O dispositivo utilizado
para avaliar o IBUTG inclui três termômetros: um de globo negro, que mede a
energia radiante do calor; um de bulbo úmido, que mede a capacidade de
perda de calor por evaporação; e um de bulbo seco que mede a temperatura do
ambiente (GAMBRELL et al., 2002).
Para simplificação do sistema será usado somente um sensor para
identificação da temperatura ambiente.
2.3 Parâmetro acústico
O barulho exerce efeito negativo na criação, produção e manutenção de
animais de laboratório. Barulhos altos geram ultrassom, muitas vezes
inaudíveis para a espécie humana, porém captados pelos roedores. Nas salas
de animais, existem várias fontes de ultrassom, como água corrente, ranger
de rodas dos carrinhos, de portas e cadeiras e de ar-condicionado, que
geram pressões sonoras consideravelmente altas e irritantes para os animais
(PINTO, 2002).
Segundo Oliveira e Ribas (1995), o limiar entre o som e o ruído comporta
toda uma dimensão psicológica, dificultando o estabelecimento de limites
precisos ente eles. Sabe-se que a irritação nas pessoas produzida por
fontes de ruído depende de seu tempo de duração, cruzamentos súbitos de
intensidade, da informação trazida pelo ruído e pelo estado de espírito,
forma física e atividade da pessoa submetida à fonte sonora.
2.3 Parâmetro de concentração de amônia
Os efeitos da amônia em animais de laboratório não estão claramente
elucidados na literatura (ROSENBUM et al., 2009). Contudo, sabe-se que a
principal via de exposição é o trato respiratório, onde ocorrem os efeitos
tóxicos mais comuns. Em atmosferas com altas concentrações de amônia,
irritação dérmica e ocular também podem ocorrer. A gravidade e a extensão
dos efeitos nos animais estão relacionadas tanto à concentração quanto a
duração da exposição. A dose máxima em que não são observados efeitos
(NOAEL – No Observed Advers Effect Level), a menos concentração que
determina o aparecimento dos primeiros sinais de toxidade (LOAEL – Lowest
Observed Adverse Effect Level), bem como os níveis que determinam a redução
de 50% na frequência respiratória e a dose letal para 50% dos animais,
também estão relacionados ao tempo de exposição (ORLANDINE, 2012).
Segundo Orlandine e suas amostra provenientes do Centro de Reprodução e
Experimentação de Animais de Laboratório (CREAL) do Instituto de Ciências
Básicas da Saúde (ICBS) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
obteve-se valores de concentração de amônia entre 76 ppm à 106 ppm.
2.4 Parâmetro de luminosidade
Em animais de experimentação, o estresse é, primariamente, de natureza
emocional ou psicológica. Muitas situações, que parecem comuns para o
homem, são estressantes para animais de experimentação como, por exemplo, a
exposição à luz muito clara ou a espaços muito amplos (RIVERA, 2002).
Os animais que têm atividade noturna são sensíveis à luz de alta
intensidade. Ratos albinos podem ter suas retinas danificadas e ficarem
cegos quando submetidos a uma luminosidade muito intensa. Devemos
considerar, também, que existem diferenças significativas de intensidade de
luz entre a gaiola e a sala de animais, bem como o tipo de gaiola utilizado
(se transparente ou opaca). Não podemos esquecer que experimentos
realizados no período da noite não devem ser interrompidos com luz, uma vez
que podem apresentar efeito adverso (PINTO, 2002).
A maioria dos roedores é mais sensível a altas intensidades luminosas por
possuírem hábitos noturnos. Os ratos albinos, por exemplo, são mais ativos
nos períodos menos iluminados do dia e podem ficar cegos quando expostos a
muita luz (NRC, 2003).
Os animais, como os roedores, devem obedecer a um ciclo de iluminação
adequada com 12 horas de escuridão e 12 horas de luminosidade. A
luminosidade deve propiciar uma boa visibilidade sendo em torno de 200 lux,
o que é adequada para uma boa reprodução e assegura um comportamento normal
para uma grande maioria dos animais de laboratório (POLITI et al., 2008)
Uma iluminação que propicie boa visibilidade, seja uniforme e o mais
próxima possível da luz natural, na ordem de 200 lux, é adequada à
reprodução e assegura um comportamento normal para a maioria dos roedores
(MAJEROWICZ, 2005).
2.5 Parâmetro de umidade relativa
A umidade do ar está relacionada ao vapor d'água que este contém e à
pressão atmosférica. Para uma dada temperatura, uma massa de ar só pode
conter uma quantidade limitada de vapor. Além deste limite o ar fica
saturado ocorrendo a condensação. Quanto mais quente é o ar, mais ele pode
conter vapor d'água. (OLIVEIRA e RIBAS, 1995).
Com a queda da umidade, existem duas preocupações principais para a saúde.
Além do ar poluído, as vias aéreas ficam mais ressecadas, o que favorece a
intensificação de problemas respiratórios. "Com toda esta poluição, fica
mais difícil para a via respiratória se defender do ar com a qualidade
ruim. Além disso, os cílios das narinas, que são responsáveis por filtrar o
ar, passam a ter mais dificuldade para trabalhar" (MARTINS, 2011).
Uma vez que as espécies animais criadas e mantidas em biotérios transpirem
menos, elas aumentam sua média de movimentos respiratórios, perdendo calor.
Entretanto, se o ar inspirado pelo animal tem umidade relativa alta, esta
prejudica a habilidade do animal em ajustar a sua temperatura corporal.
Além disso, a umidade elevada estimula a produção de amônia na gaiola e, em
seu interior, ela é cerca de10% mais alta que na sala (PINTO, 2002).
Neste projeto será desenvolvido um sistema de monitoramento de biotérios,
com o objetivo de poder captar os sinais gerados pelos respectivos
sensores e armazenar em um banco de dados para análise dos mesmos.
I. MATERIAIS, METODOS E ATIVIDADES
3.1 Descrição do Sistema
O sistema será composto de dois dispositivos eletrônicos e um programa
computacional:
Módulo emissor – Dispositivo microcontrolado responsável por realizar
o condicionamento dos sinais dos sensores e enviar os resultados de
medição via rede sem fio para o módulo coletor;
Módulo coletor – Dispositivo microcontrolado responsável por receber
os sinais do modulo emissor e enviar os dados recebidos para um
computador.
Programa computacional – aplicativo responsável por gerenciar todo o
sistema e armazenar os resultados de medição em um banco de dados. Ele
foi desenvolvido em linguagem C# no ambiente de desenvolvimento Visual
Studio.
3.2 Especificação dos materiais
3.2.1 Sensores
A Sociedade de Instrumentação da América (Instrument Society of America -
ISA) define um sensor ou transdutor como um dispositivo que produz uma
saída em resposta a uma mensuração específica. Aqui, a saída é definida
como uma 'quantização elétrica' e medida como uma 'grandeza física,
propriedade, ou condição as quais são mensuradas'. (SEIPPEL,1983).
Esta definição pode agora ser generalizada estendendo 'quantização
elétrica' para qualquer tipo de sinal como mecânico e óptico e estendendo
'grandeza física, propriedade, ou condição as quais são mensuradas' para
aqueles de natureza química e biológica. (SEIPPEL,1983).
Dado a explicação genérica do que seja um sensor será detalhado o
funcionamento específico de cada sensor utilizado no projeto deste sistema,
de acordo com a grandeza que se deseja medir.
3.2.1.1 Som
Após uma breve explicação sobre o funcionamento dos sensores de som
(microfones) será feita a escolha do microfone, bem como seu
dimensionamento no projeto pautado nas devidas limitações econômicas, além
da intenção da confecção de um encapsulamento mais compacto do sistema e
manutenção de uma alimentação de 5 V, muito utilizada para diversos
sistemas embutidos.
O microfone é um componente captador de som, destinado a converter as
vibrações sonoras em sinais elétricos. Eles são empregados em inúmeras
aplicações, desde aparelhos telefônicos e equipamentos de gravação a
sensores de distância baseados em ultrassom (PATSKO, 2006).
Existem diversos tipos de microfones disponíveis, cujo funcionamento baseia-
se nos mais variados princípios. Os microfones dinâmicos são os mais
simples de todos, apresentando um funcionamento semelhante ao dos alto-
falantes (o som faz vibrar um diafragma que, por sua vez, induz uma
corrente variável numa bobina eletromagnética, enquanto que nos alto-
falantes acontece exatamente o oposto). Muito comuns também são os
capacitivos, que se baseiam nos capacitores variáveis. Dentre os microfones
mais complexos, encontramos os parabólicos (destinados à espionagem) e até
modelos baseados na refração de raios laser numa lâmina de vidro (PATSKO,
2006).
Quase todos os microfones utilizam um diafragma, uma película fina e
flexível, que vibra quando as ondas sonoras incidem sobre ela. O modo como
essa vibração é convertida num sinal elétrico caracteriza o tipo de
microfone (PATSKO, 2006).
Nos microfones capacitivos e nos de eletreto, além do diafragma, há uma
pequena placa de metal. Juntas, essas duas peças compõem um capacitor. A
vibração do diafragma faz com que a distância entre ele e a placa de metal
varie e, consequentemente, a capacitância desse conjunto também varia. Como
a carga armazenada pelo capacitor se mantém constante, a voltagem entre o
diafragma e a placa de metal também varia, de acordo com a Equação 3.1,
onde Q é a carga (em Coulombs), C é a capacitância (em Farad) e V é a
tensão (em Volts).
Q = C · V (Equação 3.1)
O sinal elétrico resultante da variação dessa tensão reproduz fielmente a
vibração do diafragma, podendo ser então amplificado e reproduzido através
de um alto-falante. A diferença do microfone de eletreto para o capacitivo
é que o seu diafragma possui uma fina película de eletreto, um material que
quando eletrizado, mantém sua carga permanentemente. Isso permite que esses
microfones operem com tensões extremamente baixas, não sendo necessário
alimentá-lo com algumas dezenas de volts, como no caso dos capacitivos
(PATSKO, 2006).
Além disso, esse microfone possui internamente um FET (Field Effect
Transistor –Transistor de Efeito de Campo) cuja função é servir de buffer,
eliminando problemas de impedância e capacitância que podem ocorrer durante
a conexão deste componente com o destino final do sinal (que pode ser um
amplificador, um gravador ou um microcontrolador). A fonte de tensão
necessária para utilizar o microfone se destina a alimentar esse transistor
(PATSKO, 2006).
A Figura 3.1 mostra um esboço da estrutura do microfone de eletreto.
Figura 3.1 - Microfone de eletreto.
Fonte: MAXUELL BOHR, 2006.
Separa-se o sinal CC (que alimenta o circuito), do sinal CA (o sinal
variável que será gerado pelo microfone). Para esta função, pode-se
utilizar um capacitor. O capacitor é um componente que bloqueia os sinais
contínuos, mas deixa passar os sinais variáveis. Quando utilizado nessa
função, ele é chamado de capacitor de desacoplamento. Depois desse
capacitor, temos então um sinal variável que reproduz fielmente as
vibrações do diafragma causadas pelas ondas sonoras. O sinal resultante
desse circuito poderá então ser destinado a um amplificador, um transmissor
de radiofrequência ou qualquer outro circuito analógico. Mas para que seja
monitorado por outro circuito ou aplicado num conversor A/D, ele ainda não
é ideal. O primeiro passo será adequar a tensão de repouso desse sinal.
Depois, deve-se amplificá-lo (PATSKO, 2006).
A tensão de repouso (Vrep), também chamada de nível DC ou Offset, é a
tensão presente na saída do circuito quando o sensor estiver em repouso, ou
seja, quando nenhum som é captado pelo microfone. No momento em que as
ondas sonoras fazem vibrar o diafragma do microfone, é gerado então um
sinal variável (PATSKO, 2006).
Como o sinal é alternado, a sua tensão varia acima e abaixo da tensão de
repouso. Quando o microfone captar algum som, haverá um sinal analógico que
varia até uma tensão de pico V, ou seja, de +V (valor máximo) a -V (valor
mínimo) (PATSKO, 2006).
A maior parte dos conversores A/D não pode ler tensões negativas. Sendo
assim, é necessário fazer com que a tensão de repouso seja maior, para que
o valor mínimo do sinal analógico seja ligeiramente maior que 0V. Desse
modo, o sinal de saída do microfone estará enquadrado nos valores de
leitura do conversor (PATSKO, 2006).
A Figura 3.2 mostra o aumento da tensão de repouso de maneira que não se
obtenha tensão negativa.
Figura 3.2 - Mudança da tensão de repouso.
Fonte: MAXUELL BOHR, 2006.
Ao colocar um divisor de tensão na saída do circuito, quando o sensor
estiver em repouso, a saída do circuito será a tensão presente no divisor
de tensão. Quando o microfone passar a captar algum som, a tensão de saída
variará acima e abaixo desta tensão. Como o sinal de saída do microfone é
baixo, com picos entre 10 e 20 mV, percebe-se um valor baixo de tensão de
repouso. Deve-se, portanto, fazer com que a tensão de repouso seja de
aproximadamente 40 mV (PATSKO, 2006).
Ao se utilizar um divisor de tensão com os resistores mostrados na Figura
3.5 após o capacitor de desacoplamento de 100nf, considerando que o
circuito foi alimentado com uma tensão de 5 V, tem-se uma tensão de repouso
de 37 mV (0,037 V), como pode ser comprovado pela Equação 3.2.
Vrep = V · R1 (R1 + R2) (Equação 3.2)
Vrep = 5 · 750 Ω (750Ω + 100KΩ)
Vrep = 3750 ·100750
Vrep = 0,037 V
Tem-se então um sinal adequado à sua utilização em diversos circuitos.
Quando o microfone estiver captando algum som, o sinal de saída variará
entre, no máximo, 20 mV e 60 mV. Como esse sinal é fraco, ele deverá ser
amplificado (PATSKO, 2006).
A amplificação é necessária, pois a amplitude do sinal original é muito
pequena, ou seja, a diferença entre os valores mínimo e máximo do sinal é
muito baixa. Desse modo, a diferença entre os sinais de um som fraco e um
forte, captados pelo microfone, é muito pequena. Amplificando o sinal, essa
diferença ficará mais clara como mostra a Figura 3.3 (PATSKO, 2006).
Figura 3.3 – Amplificação do sinal do microfone.
Fonte: MAXUELL BOHR, 2006.
Existem diversos métodos para realizar essa amplificação, mas o mais
prático é através de um Amplificador Operacional. Neste caso será utilizado
um circuito integrado LM324N mostrado na Figura 3.4.
Figura 3.4 – Amplificador operacional.
Fonte: MAXUELL BOHR, 2006.
O sinal do microfone, depois de ser adequado através do divisor de tensão,
será aplicado na entrada positiva do Amplificador Operacional. Um resistor
(R1) será ligado entre a saída e a entrada negativa e outro resistor (R2),
de valor menor, ligará a entrada negativa ao 0 V da alimentação. O ganho
desse circuito será determinado por esses resistores, através da seguinte
fórmula:
(Equação 3.3)
O sinal proveniente do microfone tem um pico de tensão de aproximadamente
60 mV. Amplificando-o com ganho de aproximadamente 25 vezes, tem-se como
resultado um sinal de até 1,5 V. Utiliza-se no lugar de R1 um resistor de
18 kΩ e, no lugar de R2, um resistor de 750Ω, o que proporcionará o ganho
necessário (PATSKO, 2006).
A Figura 3.5 mostra o resumo do esquema elétrico montado fornecendo um
sinal de saída.
Figura 3.5 - Esquema elétrico da captação e amplificação do sinal sonoro.
Fonte: MAXUELL BOHR, 2006.
3.2.1.2 Amônia
Para seleção e aquisição do sensor de amônia foram encontradas barreiras
que dificultaram a elaboração do sistema, visto que não foi encontrada
fabricação e nem revenda em território nacional.
Foi adquirido o sensor TGS826 da companhia FIGARO que possui certificado
ISO9001.
O TGS826 é um semicondutor grosso sinterizado composto principalmente de
óxido de metal. O material semicondutor e os eletrodos são formados por um
tubo de cerâmica de alumina. Uma bobina de aquecimento situa-se no interior
do tubo de cerâmica. Os cabos dos eletrodos do sensor são de uma liga de
ouro. A bobina de aquecimento e os cabos estão ligados aos terminais do
sensor que foram organizados para atender a uma miniatura de soquete do
tubo de 7 pinos como mostrado na Figura 3.6 da estrutura do TGS826 (FIGARO,
2007).
Figura 3.6 - Elementos do sensor TGS826.
Fonte: FIGARO, 2007.
A Figura 3.7 mostra o circuito de medição de base do sensor. A tensão do
circuito (Vc) é aplicada através do elemento sensor, que tem uma
resistência entre dois eletrodos do sensor e a resistência de carga (RL)
ligadas em série. O sinal do sensor (VRL) é medido indiretamente com a
mudança na tensão ao longo de RL. A polaridade do sensor requer tensão de
CC como alimentação do circuito (FIGARO, 2007).
Figura 3.7 - Esboço básico de funcionamento do circuito elétrico.
Fonte: FIGARO, 2007.
Rs é obtido a partir da Equação 3.4.
(Equação 3.4)
O ponto branco no sensor indica o terminal 2, como mostrado na Figura 3.8
(FIGARO, 2007).
Figura 3.8 - Dimensão do sensor.
Fonte: FIGARO, 2007.
A classificação mostrada na Tabela 3.1 deve ser mantida sempre para
garantir o desempenho estável do sensor:
Tabela 3.1 – Condições do circuito e operação.
Fonte: FIGARO, 2007.
A Tabela 3.2 mostra especificações das faixas de valores das variáveis
trabalhadas no sensor.
Tabela 3.2 – Especificações.
Fonte: FIGARO, 2007.
As características de sensitividade são obtidas de acordo com as seguintes
condições padrões:
Temperatura e umidade: 20 ± 2˚C, 65 ± 5% UR (Equação 3.5)
Condições do circuito: Vc = 5.0±0.01V CC (Equação
3.6)
VH = 5.0±0.05V CC (Equação 3.7)
RL = 33kΩ ± 1% (Equação 3.8)
Período de pré-aquecimento: 7 dias ou mais sob as condições padrões do
circuito.
O sensor não deve ter resultados anormais em sua estrutura e deve
satisfazer as condições elétricas especificadas após os seguintes limites
do teste de desempenho:
Força de toque (dos terminais em relação a base): Se tolera uma força de
até 5Kg em cada sentido.
Vibração: 1000 c/min, amplitude total 4mm, duração de uma hora, direção
vertical.
Impacto de choque mecânico: aceleração 100G, repetido 5 vezes.
A Figura 3.9 mostra a sensibilidade relativa de TGS826 para diversos gases.
O eixo Y mostra a relação entre a resistência do sensor a vários gases (Rs)
para a resistência do sensor em 50ppm de amônia (Ro) (FIGARO, 2007).
Figura 3.9 – Gráfico de sensibilidade a vários gases (Rs/Ro X ppm).
Fonte: FIGARO, 2007.
Utilizando o circuito de medição de base ilustrada na Figura 3.7, em
conjunto com um valor de RL correspondida equivale ao valor de Rs em 50 ppm
de amônia, fornecerá o sensor variação da tensão de saída (VRL) como
mostrado na Figura 3.10 (FIGARO, 2007).
Figura 3.10 - Gráfico de sensibilidade a vários gases (VRL X ppm).
Fonte: FIGARO, 2007.
A Figura 3.11 mostra a dependência da temperatura e umidade do TGS826 com
algumas relações de valores mostrados na Tabela 3.3. O eixo Y mostra a
relação da resistência do sensor em 150ppm de amônia sob várias condições
atmosféricas (Rs) para a resistência do sensor em 150ppm de amônia a
20˚C/65% UR (Ro) (FIGARO, 2007).
Figura 3.11 – Gráfico de dependência da temperatura e umidade (Rs/Ro X ºC)
Fonte: FIGARO, 2007.
Tabela 3.3 – Dependência da temperatura e umidade (típicos valores de Rs/Ro
para a figura 3.11)
Fonte: FIGARO, 2007.
A Figura 3.12 mostra a relação da variação na resistência do sensor de
acordo com as variações na tensão de aquecimento (VH).
Nota-se que deve ser mantida uma tensão de aquecimento de 5,0 V porque a
variação na tensão de aquecimento aplicada causará alterações nas
características do sensor.
Figura 3.12 – Gráfico de dependência da tensão de aquecimento (VH) (Rs = Rs
em 50ppm de amônia, Ro = Rs em 50 ppm de amônia e VH = 5.0V DC).
Fonte: FIGARO, 2007.
A Figura 3.13 mostra o padrão de mudança de resistência do sensor (Rs),
quando o sensor está inserido para dentro e depois removido 50 e 150 ppm de
amoníaco. Como este gráfico exibe, o sensor reage à presença de gás
obedecendo os seguintes padrões temporais quando removido do gás. Quando
removido do gás de amônia o sensor irá recuperar o valor original da
resistência (Rs).
Tempo (segundos)
Figura 3.13 – Gráfico de tempo de resposta (RS X Tempo).
Fonte: FIGARO, 2007.
Para montagem do hardware deve-se observar o posicionamento correto dos
terminais do sensor como mostrado na Figura 3.14.
Figura 3.14 – Configuração dos terminais do TGS826.
Fonte: FIGARO, 2007.
3.2.1.3 Temperatura
Existe uma infinidade de sensores de temperaturas como os termopares, RTDs,
termistores, NTC (Negative Temperature Coeficient), PTC (Positive
Temperature Coeficient), termômetro acústico, à vapor, de germânio, etc...
Por uma maior adequação a este projeto será utilizado um circuito integrado
capaz de funcionar como um sensor de temperatura em condições como as de
um Biotério.
O LM35 é um sensor de precisão, fabricado pela National Semiconductor. A
tensão de saída será linear e relativa à temperatura em que se encontra no
momento em que for alimentado por uma tensão de 4-20Vdc e GND. O valor da
tensão de saída será de 10mV para cada grau Celsius de temperatura, sendo
assim, apresenta uma boa vantagem com relação aos demais sensores de
temperatura calibrados em Kelvin. Esse, não necessita de subtração de
variáveis para obter uma escala de temperatura em graus Celsius. Além
disso, não necessita de calibração externa ou "trimming" para fornecer com
exatidão, valores de temperatura com variações de ¼ºC ou até mesmo ¾ºC
dentro da faixa de temperatura de –55ºC à 150ºC. Apresenta na saída baixa
impedância, tensão linear e calibração inerente precisa, fazendo com que a
interface para a leitura seja especificamente simples, desta forma o
sistema apresenta um menor custo. A alimentação do sensor poderá ser
simples ou simétrica, dependendo do que se deseja como sinal de saída.
Porém, independentemente disso, a saída continuará sendo de 10mV/ºC. Ele
drena apenas 60µA para a alimentação, sendo assim, seu auto aquecimento é
de aproximadamente 0.1ºC ao ar livre. (CORREIA et al., 200-?)
Na Figura 3.15 pode-se observar o comportamento linear entre a tensão de
alimentação, em volts, com a temperatura, em graus Celsius.
Figura 3.15 – Alimentação mínima (V x °C).
Fonte: MICROCHIP TECHNOLOGY, 2006.
3.2.1.4 Umidade
Na sua linha de sensores a Honeywell destaca a série HIH-3610 de sensores
de umidade especialmente indicados para aplicações como refrigeração,
secagem, metrologia, sistemas alimentados por bateria etc (BRAGA, 2011).
Esses componentes também são indicados para usuários de grandes quantidades
como OEM (Original Equipment Manufacturers). A principal característica
desse componente é poder interfacear diretamente com microcontroladores,
pois ele tem uma saída de tensão linear que pode ser aplicada ao pino ADC
(BRAGA, 2011).
A corrente drenada também é muito baixa, da ordem de 200 uA, o que
possibilita sua aplicação em equipamentos alimentados por bateria. A
tecnologia de fabricação ajustada a laser torna o elemento sensor
capacitivo preciso, além de ter uma construção robusta que permite sua
operação em ambientes rudes (BRAGA, 2011).
A saída de tensão varia entre 0,8 V a 3,9 v e a estabilidade é de 1%
durante 5 anos. A tensão de alimentação está na faixa de 4 V a 5,6 V com um
consumo de 200 uA em 5 V.Os sensores podem ser encomendados com uma tabela
de calibração (BRAGA, 2011).
A Figura 3.16 mostra a estrutura básica deste sensor.
Figura 3.16 – Estrutura básica do sensor HIH-3610.
Fonte: INSTITUTO NCB, 2011.
Conforme mostra a Figura 3.17, a saída desse sensor consiste numa
tensão proporcional à umidade relativa. A precisão obtida é de 2% na escala
de 0 a 100% de umidade relativa (RH).
Figura 3.17 – Gráfico de saída relativa.
Fonte: INSTITUTO NCB, 2011.
3.2.1.5 Luminosidade
Os sensores de luminosidade mais populares são os que têm sua resistência
alterada pela presença ou ausência de luz de acordo com sua intensidade.
Este tipo de sensor será utilizado neste trabalho.
O fotorresistor, também chamado de célula fotocondutora, fotocélula, ou LDR
(light dependent resistor) possui uma resistência que depende da quantidade
de luz que ele recebe. No escuro os fotorresistores têm resistência
elevada, tipicamente na faixa de MΩ. Quando são expostos à luz, a
resistência diminui por ordens de magnitude. Sua desvantagem como sensor
está na lentidão de resposta, que chega a décimos de segundo. Uma
fotocélula pode não perceber o "pisca-pisca" de 60 Hz de uma lâmpada
fluorescente, por exemplo (AGUIAR & LAUDARES, 2001).
O LDR (Light Dependent Resistor - Resistor dependente da luz) possui a
interessante característica de ser um componente eletrônico cuja
resistência elétrica diminui quando sobre ele incide energia luminosa. Isto
possibilita a utilização deste sensor para diversas aplicações baseadas em
diferenças de luminosidades ou simplesmente para medi-la como este
trabalho.
O LDR é composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS, ou
o sulfeto de chumbo. O processo de construção de um LDR consiste na conexão
do material fotossensível com os terminais, sendo que uma fina camada é
simplesmente exposta à incidência luminosa externa (ALVES et al., 2003).
O LDR permite aplicações diversas por meio da mensuração luminosa e neste
trabalho será útil para determinação das 12 horas de escuridão ou das 12
horas de iluminação, tomando-se o cuidado de não ultrapassar os 200 lux
ideais as cobaias.
O LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, como mostrado na
Figura 3.18, cuja resistência varia linearmente com a intensidade de luz
incidente, obedecendo a Equação 3.9.
R = C.L.a (Equação 3.9)
Onde L é a luminosidade em Lux, C e a são constantes dependentes do
processo de fabricação e material utilizado (ALVES et al., 200-?)
Conforme aumenta a intensidade de luz incidente no LDR, um número maior de
elétrons na estrutura tem também seu nível de energia aumentado, devido à
aquisição da energia entregue pelos fótons. O resultado é o aumento de
elétrons livres e elétrons fracamente presos ao núcleo (ALVES et al., 200-
?).
Figura 3.18 – Estrutura e aparência do LDR.
Fonte: UFRJ, 200-?.
3.2.2 Transmissão de dados
No caso de biotérios, e para tantos outros quantos a arquitetura do sistema
dependa da intercomunicação de vários módulos de hardware localizados em
compartimentos distintos, faz-se necessário o uso de padrões de comunicação
wireless. Soma-se a isso a melhor apresentação estética caso uma
redundância de sinal por meio da fiação não seja necessária.
Ergen sugere, na introdução de seu texto, uma continuidade na evolução das
redes de comunicação. As redes celulares, por exemplo, são uma consequência
natural das redes de telefones cabeadas, uma vez que o custo do cabeamento
era cada vez mais alto e cada dia mais havia a necessidade de uma telefonia
não fixada a um ponto físico (VASQUES et al., 2010).
Da mesma forma, nos anos 80, com o crescimento acelerado da internet, era
evidente a necessidade de uma comunicação sem fio voltada para esse tipo de
tráfego de dados. O IEEE 802.11 cria, então, as redes locais sem fio (WLAN
- Wireless Local Area Network) (VASQUES et al., 2010).
Enquanto os padrões IEEE 802.11 tem como objetivo ser o mais parecido
possível com o Ethernet o IEEE 802.15, padrão para redes locais pessoais
(WPAN - Wireless Personal Area Network), por sua vez, tem seus objetivos
muito diferentes, sendo estes: baixo custo, baixo consumo, curto alcance e
tamanho reduzido do dispositivo. O Bluetooth foi criado para ser uma rede
de curta distância, entre dispositivos fixos ou móveis, para transmissão de
dados, com alto nível de segurança (VASQUES et al., 2010).
A rede conhecida como ZigBee, criada pelo IEEE em conjunto com a ZigBee
Alliance, foi criada com o intuito de disponibilizar uma rede com extrema
baixa potência de operação, ocasionando um baixo consumo de energia nos
dispositivos, estendendo a vida útil de suas baterias, podendo as mesmas
durarem anos. Dessa forma a rede tem como principais casos de uso
dispositivos que não necessitem de taxas de transmissão de dados tão altas
quanto as permitidas pelo Bluetooth, e querem se aproveitar das
características de baixo consumo.
Os módulos XBee são configurados através de simples comandos AT, bem
parecidos com àqueles usados para configurar Modems. Nos módulos XBee os
comandos ATs servem para configurar ou ler parâmetros no módulo local. Já
na Série 2 é possível enviar comandos ATs remotamente de um módulo para
outro (MESSIAS, entre 1999 e 2008).
Para configurar um XBee, usa-se somente os pinos 2-TX, 3-RX e o GND do
módulo. Com a placa CON-USBBEE é possível configurar um módulo através do
programa X-CTU, tanto a partir da Aba "Terminal", digitando os comandos
manualmente, como também através da Aba Modem Configuration, ou mesmo
através de um programa como o HyperTerminal do Windows ou outro similar
(MESSIAS, entre 1999 e 2008).
Para fazer o módulo XBee entrar no modo comando, digite três caracteres
"+++" (não pressione a tecla ) na janela "Terminal" do X-CTU ou no
HyperTerminal do Windows. Se o módulo recebeu o comando corretamente, ele
confirma enviando a mensagem "OK". Após o OK o módulo está apto para
receber comandos de escrita ou leitura (MESSIAS, entre 1999 e 2008).
Figura 3.19 - Formato para enviar comandos ATs ao módulo XBee.
Fonte: ROGERCOM, entre 1999 e 2008.
= (Retorno de carro) - É um byte de valor 13(Dec) ou 0D(Hex).
Nas Figuras 3.20, 3.21, 3.22 e 3.23 são demonstradas algumas configurações
mais comuns de redes usando os módulos XBee:
Figura 3.20 - Ponto-Multiponto (Brodcast).
Fonte: ROGERCOM, 2012.
Figura 3.21 - Topologia ponto-a-ponto 1.
Fonte: ROGERCOM, 2012.
Figura 3.22 - Topologia ponto-a-ponto 2.
Fonte: ROGERCOM, 2012.
Figura 3.23 - Encriptação AES 128-b.
Fonte: ROGERCOM, 2012.
A encriptação ideal a ser usada no sistema de biotérios é a ponto-
multiponto (Brodcast) devido à existência de várias salas a ser monitoradas
e de um modulo coletor responsável pela captação dos dados de todas as
salas.
3.2.3 Microcontroladores
Em poucas palavras, poderíamos definir o microcontrolador como um "pequeno"
componente eletrônico, dotado de uma "inteligência" programável, utilizado
no controle de processos lógicos. Para entendermos melhor esta definição,
vamos analisá-lo por partes (SOUZA, 2007).
O microcontrolador é programável, pois toda a lógica de operação é
estruturada na forma de um programa e gravada dentro do componente. Depois
disso, toda vez que o microcontrolador for alimentado, o programa interno
será executado (REGO SEGUNDO, 2006).
Quanto à "inteligência" do componente, podemos associá-la à Unidade Lógica
Aritmética (ULA), pois é nessa unidade que todas as operações matemáticas e
lógicas são executadas. Quanto mais poderosa a ULA do componente, maior sua
capacidade de processar informações (SOUSA, 2007).
Nesta definição, o microcontrolador ganhou ainda o adjetivo "pequeno", pois
em uma única pastilha de silício encapsulada (popularmente chamada de CI ou
CHIP), se ter todos os componentes necessários ao controle de um processo,
ou seja, o microcontrolador está provido internamente de memória de
programa, memória de dados, portas de entrada e/ou saída paralela, timers,
contadores, comunicação serial, PWMs, conversores analógico-digitais, etc.
Esta é uma das características fundamentais que diferencia os
microcontroladores dos microprocessadores, pois os últimos, apesar de
possuírem uma ULA muito mais poderosa, não possuem todos esses recursos em
uma única pastilha (SOUSA, 2007).
Os microcontroladores produzido pela Microchip, uma das maiores empresas do
ramo, são chamados de PIC (Programmable Interface Controller – Controlador
de interface programavél) e neste sistema se fará uso de dois deles
especificados a seguir.
3.2.3.1 Interrupções
Como o próprio nome diz, uma interrupção serve para interromper o programa
imediatamente. Desta maneira, podemos tomar atitudes instantâneas. As
interrupções são ações tratadas diretamente pelo hardware, o que as torna
muito rápidas e disponíveis em qualquer ponto do sistema. Assim sendo,
quando uma interrupção acontece, o programa é paralisado, uma função
específica (definida pelo programador) é executada e depois o programa
continua a ser executado no mesmo ponto em que estava. Elas servem para a
solução de muitos problemas complexos (SOUZA, 2007).
3.2.3.2 Portas
O estado das portas em um microcontrolador é acessado diretamente em duas
posições distintas da memória. Quando um pino dessas portas é configurado
como entrada, ao ler o seu bit relacionado, encontra-se diretamente o nível
lógico aplicado a esse pino. Da mesma maneira, configurando um pino como
saída, pode-se alterar o seu estado, escrevendo diretamente no bit
relacionado (SOUZA, 2007).
3.2.3.3 Comunicação Serial
Na comunicação serial, a transmissão de dados é feita bit a bit, ou seja, é
transmitido um bit de cada vez. A informação, por exemplo, é transmitida
entre dois pontos, e na linha de transmissão é colocado apenas um bit de
cada vez, começando pelo bit menos significativo. Cada bit permanece na
linha de transmissão durante um tempo predefinido, chamado período do bit,
para que possa ser lido. A comunicação serial pode ter somente uma linha de
transmissão. Esta é uma característica que faz com que ela seja uma forma
muito utilizada de transmissão de dados, principalmente em transmissões de
longa distância (ZANCO, 2005).
3.2.3.4 PIC16F873A
Este foi o microcontrolador mais adequado escolhido ao sistema para o
modulo coletor por possuir exatamente cinco entradas analógicas,
necessárias aos canais de leitura dos sensores, dispostas nos terminais 2,
3, 4, 5 e 7, respectivamente, como mostrados na Figura 3.24 e especificados
em seu uso para cada um dos sensores posteriormente.
Figura 3.24 – Ilustração da função dos terminais do PIC16f873A.
Fonte: MICROCHIP TECHNOLOGY, 2003.
O diagrama de blocos do PIC 16F873A, mostrado na Figura 3.24 fornece
maiores detalhes sobre a arquitetura do microcontrolador dando informações
importantes para a programação do mesmo.
Figura 3.25 – Diagramas de blocos do PIC16F873A.
Fonte: MICROCHIP TECHNOLOGY, 2003.
3.2.3.4 PIC18F4550
Com fins de facilitação da comunicação do sistema com um PC, que torna a
aplicação mais prática, a existência de uma porta USB integrada do
PIC18F4550 foi primordial para a inclusão dele no projeto da placa do
modulo coletor. Na figura 3.26 temos detalhes sobre as funções dos
terminais do PIC18F4550.
Figura 3.26 – Ilustração da função dos terminais do PIC18F4550.
Fonte: MICROCHIP TECHNOLOGY, 2006.
O diagrama de blocos do PIC18F4550, mostrado na figura 3.27 fornece
maiores detalhes sobre a arquitetura do microcontrolador alem de dar
informações importantes para a programação do mesmo.
Figura 3.27 – Diagrama de blocos do PIC18f4550.
Fonte: MICROCHIP TECHNOLOGY, 2006.
IV. RESULTADOS
Como resultado do projeto de hardware do sistema, obteve-se duas placas
eletrônicas de fenolite, uma para cada módulo, com as trilhas em cobre que
fazem a condução da eletricidade em uma tensão de 5 V responsável pela
alimentação dos componentes. Nas placas foram soldados os componentes
necessários como os sensores, capacitores, resistores, diodos, bornes
soquetes para os microcontroladores e amplificador operacional os quais
permitirão transmitir os dados de leitura dos sensores.
4.1 Modulo emissor
O projeto do modulo emissor foi realizado utilizando-se o software PROTEUS
8 PROFESSIONAL e o esquema com os componentes necessários ao sistema podem
ser visualizados na Figura 4.1 no programa integrado do PROTEUS - ISIS.
Figura 4.1 – Esquema de montagem dos componentes do ME.
Fonte: PROTEUS 8 PROFESSIONAL - ISIS, 2013.
O posicionamento dos componentes e das trilhas de cobre podem ser
projetados no programa integrado do PROTEUS - ARES e podem ser visualizadas
na Figura 4.2.
Figura 4.2 – Trilhas de cobre e localização dos componentes do ME.
Fonte: PROTEUS 8 PROFESSIONAL - ARES, 2013.
A programação do microcontrolador PIC16F873A pode ser visualizada no Anexo
1:
4.2 Módulo coletor
Utilizando-se do mesmo software foi feita o projeto do MC obtendo-se o
esquema com os componentes necessários ao sistema. Podem ser visualizados
na Figura 4.3 no programa integrado do PROTEUS ISIS.
Figura 4.3 – Esquema de montagem dos componentes do MC.
Fonte: PROTEUS 8 PROFESSIONAL - ISIS, 2013.
O posicionamento dos componentes e das trilhas de cobre também foram
projetados no programa integrado do PROTEUS - ARES e podem ser
visualizadas na Figura 4.4.
Figura 4.4 – Trilhas de cobre e localização dos componentes do MC.
Fonte: PROTEUS 8 PROFESSIONAL - ARES, 2013.
A programação do microcontrolador PIC18F4550 pode ser visualizada no Anexo
2.
3. Aplicativo
O aplicativo desenvolvido no Visual Studio 2012 teve como tela de abertura
a formatação como demonstrada na Figura 4.5.
Figura 4.5 – Tela de apresentação do aplicativo.
Fonte: VISUAL STUDIO 2012 – C# WINDOWS FORM APLICATION, 2013.
A apresentação dos dados de cada sala pode ser visualizada após a
identificação de usuário e senha como mostrado na Figura 4.6.
Figura 4.6 – Apresentação dos dados após entrada no sistema.
Fonte: VISUAL STUDIO 2012 – C# WINDOWS FORM APLICATION, 2013.
No Anexo 3 podemos ver a programação de alguns forms do aplicativo C#.
A formulação do Banco de dados pode ser visualizada no diagrama do esquema
relacional (DER) na Figura 4.7.
Figura 4.7 – Diagrama do Esquema Relacional do Banco de Dados.
Na Figura 4.8 tem-se a aplicação deste esquema relacional no software
VISUAL STUDIO, C#.
Figura 4.8 – Montagem do Banco de dados no VS 2012.
Fonte: VISUAL STUDIO 2012, 2013.
V. CONCLUSÕES
O sistema para monitorar biotérios foi projetado para ser capaz de fazer a
aquisição dos cinco sensor de interesse utilizados para controle da
qualidade do microclima de biotérios.
A aquisição dos sensores é transmitida por um pacote de 8 bites de cada
canal analógico realizado pelo ME através da comunicação serial do
microcontrolador PIC16F873A. O meio físico de transporte deste sinal é
concretizado pelo módulo XBee de protocolo Zigbee de comunicação, que é uma
comunicação wireless.
O sensor de som demonstrou uma limitação na sua captação sonora para
distâncias maiores que dois metros, mas consegue captar picos sonoros que
são necessários de ser evitados para não gerar indução de estresse nos
animais, por conseguinte, afetar a qualidade da pesquisa.
Portanto conclui-se que é possível a transmissão de dados pro meio dessa
arquitetura projetada e pôde-se compreender a necessidade de mensurar esses
parâmetros. O sistema pode ser usado pra fins de controle de qualidade da
pesquisa e do microclima de biotérios.
Pode-se expandir o trabalho para uma atuação concreta de controle acionando-
se exaustores para diminuição da concentração de amônia, ar condicionado
para controle da temperatura e umidade relativa, controle da iluminação
ideal para o ambiente e algum mecanismo de alerta que indique uma faixa
sonora fora do padrão desejado.
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ZANCO, W. S. Microcontroladores PIC 16F628A: uma abordagem prática e
objetiva. Wagner da Silva Zanco. 1. Ed. – São Paulo: Érica, 2005.
ANEXO 1
/*
* Projetista: Jônatas Pereira
* Projeto: Modulo Emissor do Sistema para Biotérios
* Microcontrolador: PIC16F873A
*/
#include
#device adc=10
#fuses XT,NOWDT,PUT,NOBROWNOUT,NOLVP // bits de configuração
#use delay(clock=4000000) // informa ao sistema o frequência de clock,
para temporização
#use rs232(baud= 9600, xmit= pin_c6, rcv= pin_c7)
#use fast_io(a)
#use fast_io(b)
#use fast_io(c)
int8 valor[6]; // variavel que receberá o sinal dos sensores
int i;
//Endereço das portas
#byte porta = 0x05
#byte portb = 0x06
#byte portc = 0x07
//Definição de entradas
#bit sensor1= porta.0
#bit sensor2= porta.1
#bit sensor3= porta.2
#bit sensor4= porta.3
#bit sensor5= porta.5
//Definição de saida
void main()
{
// configura microcontrolador
setup_adc_ports(all_Analog);
setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);
set_adc_channel (0); // seleciona o canal 0 do sensor de umidade
set_adc_channel (1); // seleciona o canal 1 do sensor de
temperatura
set_adc_channel (2); // seleciona o canal 2 do sensor de
luminosidade
set_adc_channel (3); // seleciona o canal 3 do sensor de amônia
set_adc_channel (4); // seleciona o canal 4 do sensor de som
// configura os tris como I/O
set_tris_a(0b11111111);
set_tris_b(0b11111111);
set_tris_c(0b10111111);
// inicializa os ports
porta=0x00; // limpa porta
portb=0x00; // limpa portb
portc=0x00; // limpa portc
// Write your code here
while (true){
valor[0]= sensor1;
valor[1]= sensor2;
valor[2]= sensor3;
valor[3]= sensor4;
valor[4]= sensor5;
for (i=0; iVER TUTORIAL USB
// Definições para uso de Rotinas de Delay
#use delay(clock=48000000, RESTART_WDT) // Seta o clockdo PIC
para 48MHz
#include //biblioteca de funções USB cdc class
#include
// Variáveis
char USBcontrol, saida[4];
long int var1=1023, var2=321, var3=24, var4=1;
int8 t,sinal[10]; // variavel que receberá o sinal dos sensores
int i;
//Define o frimware que será utilizado no código de manipulação
HID
//#DEFINE USB_HID_DEVICE TRUE
/*Define a habilitação do endpoint de transmissão e aloca espaço
na memoria para
os bytes de transmissão*/
//#define USB_EP1_TX_ENABLE USB_ENABLE_INTERRUPT
//Aloca 5 bytes para transmissão
//#define USB_EP1_TX_SIZE 5
/*Define a habilitação do endpoint de recepção e aloca espaço na
memoria para
os bytes de recepção*/
//#define USB_EP1_RX_ENABLE USB_ENABLE_INTERRUPT
//Aloca 8 bytes para recepção
//#define USB_EP1_RX_SIZE 8
#use fast_io(a)
#use fast_io(b)
#use fast_io(c)
#use fast_io(d)
#use fast_io(e)
//Endereço das portas
#byte porta = 0xf80
#byte portb = 0xf81
#byte portc = 0xf82
#byte portd = 0xf83
#byte porte = 0xf84
//Definição de entradas
#bit rx= portc.7
//Definição de saida
#bit tx= portc.6
// Função que transforma um inteiro em um vetor de caracteres de
quatro posições
char * inttochar4(long int inteiro,char *c)
{
char t[4];
inttochar4(inteiro,10);
if (inteiro9 && inteiro99)
{
c[0]='0';
c[1]=t[0];
c[2]=t[1];
c[3]=t[2];
}
if (inteiro>999)
{
c[0]=t[0];
c[1]=t[1];
c[2]=t[2];
c[3]=t[3];
}
return c;
}
void main()
{
// configura microcontrolador
// configura os tris como I/O
set_tris_a(0b11111111);
set_tris_b(0b11111111);
set_tris_c(0b10111111);
set_tris_d(0b11111111);
set_tris_e(0b11111111);
// inicializa os ports
porta=0x00; // limpa porta
portb=0x00; // limpa portb
portc=0x00; // limpa portc
portd=0x00; // limpa portd
porte=0x00; // limpa porte
//INICIALIZA O DISPOSITIVO USB
delay_ms(300);
usb_init();
setup_adc_ports(an0);
setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);
/*set_adc_channel (0); // seleciona o canal 0 do sensor
de umidade
set_adc_channel (1); // seleciona o canal 1 do sensor
de temperatura
set_adc_channel (2); // seleciona o canal 2 do sensor
de luminosidade
set_adc_channel (3); // seleciona o canal 3 do sensor
de amônia
set_adc_channel (4); // seleciona o canal 4 do sensor
de som*/
//Loop principal
while (true){
RESTART_WDT();
/*
if(usb_cdc_kbhit())
{
USBcontrol = usb_cdc_getc(); //recebe caracter
}
if (USBcontrol=='k')
{
led=0;
}
if (USBcontrol=='l')
{
led=1;
}
*/
if(usb_enumerated()) //se o usb estiver conectado
{
if(!tx=1)
{
inttochar4(var1, saida);
usb_cdc_putc('a');
usb_cdc_putc(saida[0]);
usb_cdc_putc(saida[1]);
usb_cdc_putc(saida[2]);
usb_cdc_putc(saida[3]);
usb_cdc_putc('b');
inttochar4(var2, saida);
usb_cdc_putc(saida[0]);
usb_cdc_putc(saida[1]);
usb_cdc_putc(saida[2]);
usb_cdc_putc(saida[3]);
usb_cdc_putc('c');
inttochar4(var3, saida);
usb_cdc_putc(saida[0]);
usb_cdc_putc(saida[1]);
usb_cdc_putc(saida[2]);
usb_cdc_putc(saida[3]);
usb_cdc_putc('d');
inttochar4(var4, saida);
usb_cdc_putc(saida[0]);
usb_cdc_putc(saida[1]);
usb_cdc_putc(saida[2]);
usb_cdc_putc(saida[3]);
usb_cdc_putc('e');
delay_ms(300);
}
}
//usb_init();
// if (usb_enumerated())
//{
//for (i=0; i
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