ANALYSIS OF A TOTAL DISSOLVED SOLID CONDUCTIVITY AND REVERSE OSMOSIS WATER LEVEL METER WITH ARDUINO
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ra10202409302340
SOUZA, Bruno Santos 1
PACHECO, Maria dos Anjos Fernandes 2
RESUMO
Introdução: medidor de TDS, sensor de condutividade e sensor de nível de água para osmose reversa com Arduino é um sistema integrado que monitora a qualidade da água em tempo real. O sistema é automatizado, emitindo alertas visuais e sonoros quando os parâmetros ultrapassam limites críticos. Objetivo geral: analisar um protótipo medidor de TDS sensor de condutividade e de nível de água de osmose reversa com arduíno. Metodologia: o presente estudo trata-se que um estudo de caso do tipo onde foi realizado um protótipo funcional que monitore a qualidade da água através de um medidor de TDS e sensores de nível de água, utilizando a plataforma Arduino para controle e automação. Resultados: os dados revelam uma precisão satisfatória nas medições, com variações mínimas em comparação com soluções padrão. O sistema de alerta foi eficaz, acionando alertas sonoros e visuais em situações de níveis críticos de TDS e de água. Os testes demonstraram que o sistema automatizado melhorou a resposta a condições adversas, minimizando riscos de falhas operacionais. A integração de dados históricos permitiu a identificação de padrões e tendências na qualidade da água. Conclusão: O sistema apresentou precisão nas medições e respostas rápidas a condições críticas, garantindo maior controle no processo de osmose reversa. A automação implementada reduziu a necessidade de intervenção manual e aumentou a segurança operacional. Com ajustes de calibração e manutenção preventiva, o protótipo se mostrou uma solução viável e eficiente para aplicações no tratamento de água.
Palavras-chave: TDS. Automação. Arduino.
ABSTRACT
Introduction: TDS Meter, Conductivity Sensor and Water Level Sensor for Reverse Osmosis with Arduino is an integrated system that monitors water quality in real time. The system is automated, issuing visual and audible alerts when parameters exceed critical limits. General objective: analyze a prototype TDS conductivity sensor and reverse osmosis water level sensor with Arduino. Methodology: the present study is a case study of the type where a functional prototype was created that monitors water quality through a TDS meter and water level sensors, using the Arduino platform for control and automation. Results: The data reveals satisfactory measurement accuracy, with minimal variations compared to standard solutions. The alert system was effective, triggering audible and visual alerts in situations of critical TDS and water levels. Tests demonstrated that the automated system improved response to adverse conditions, minimizing the risk of operational failures. The integration of historical data allowed the identification of patterns and trends in water quality. Conclusion: The system presented precision in measurements and quick responses to critical conditions, ensuring greater control in the reverse osmosis process. The implemented automation reduced the need for manual intervention and increased operational safety. With calibration adjustments and preventive maintenance, the prototype proved to be a viable and efficient solution for water treatment applications.
Keywords: TDS. Automation. Arduino.
1. INTRODUÇÃO
Um sistema de osmose reversa é amplamente utilizado para purificação de água, removendo impurezas e sólidos dissolvidos através de uma membrana semipermeável. Em projetos que utilizam o Arduíno, a integração de sensores como o medidor de TDS (Total de Sólidos Dissolvidos em português), sensor de condutividade e de nível de água é essencial para garantir a eficiência do processo e monitorar a qualidade da água filtrada (Splabor, 2024).
O medidor de TDS é uma ferramenta fundamental para avaliar a quantidade de sólidos dissolvidos na água, expressa em partes por milhão (ppm). Ele determina a concentração de minerais, sais, metais e outros elementos na água, ajudando a monitorar a eficiência do sistema de osmose reversa. Em um projeto com Arduíno, esse sensor pode ser integrado para medir continuamente a qualidade da água, acionando alertas ou ajustes no sistema quando os níveis de TDS ultrapassam certos limites pré-determinados (Almeida, 2023).
Além do sensor de TDS, o sensor de condutividade também desempenha um papel crucial. A condutividade mede a capacidade da água de conduzir eletricidade, que está diretamente relacionada à presença de íons dissolvidos, como sais e minerais. A leitura da condutividade oferece uma visão complementar ao medidor de TDS, permitindo uma análise mais abrangente sobre a qualidade da água. Em um sistema de osmose reversa, essa medição ajuda a garantir que a água purificada atenda aos padrões de pureza esperados (Natividade et al., 2024).
O sensor de nível de água é responsável por monitorar a quantidade de água disponível nos tanques do sistema de osmose reversa. Este sensor, em conjunto com o Arduino, permite automatizar processos como o desligamento da bomba quando o nível de água estiver muito baixo ou o acionamento de uma válvula de reabastecimento quando o tanque estiver quase vazio. Isso garante o funcionamento eficiente do sistema, evitando danos às bombas e desperdício de água (Cuambe, 2023).
A integração desses sensores com o Arduino possibilita o desenvolvimento de um sistema automatizado e eficiente. O Arduino, com suas capacidades de processamento e controle, pode ser programado para coletar dados em tempo real, processá-los e realizar ações específicas. Por exemplo, quando os níveis de TDS ou condutividade estão fora dos parâmetros desejados, o Arduino pode acionar alarmes sonoros ou visuais, interromper o fluxo de água ou enviar notificações para os operadores (Klaus, 2020).
O controle automatizado via Arduino também facilita o monitoramento remoto do sistema de osmose reversa. Através de módulos como o ESP8266 ou ESP32, é possível enviar as leituras dos sensores para a internet, permitindo que os dados sejam visualizados em tempo real através de um aplicativo ou dashboard. Essa integração de IoT (Internet das Coisas) garante que o sistema funcione de forma otimizada, com menor necessidade de intervenções manuais (Natividade et al, 2024).
Além disso, a combinação de sensores com o Arduino permite ajustes automáticos no sistema. Se o nível de sólidos dissolvidos aumentar, o Arduino pode modificar o fluxo de água, ajustando válvulas ou controlando a operação da bomba de maneira dinâmica, o que aumenta a eficiência energética e a durabilidade do sistema. Isso também pode reduzir custos operacionais e de manutenção (Klaus, 2020).
O uso de sensores como o TDS e o de condutividade em conjunto possibilita uma análise mais detalhada da qualidade da água. Enquanto o sensor de TDS mede a quantidade total de sólidos dissolvidos, o sensor de condutividade avalia como esses sólidos afetam a capacidade da água de conduzir eletricidade. Juntos, esses dados fornecem uma visão mais completa sobre a pureza da água, garantindo que os padrões sejam mantidos (Almeida, 2023).
O sensor de nível de água também pode ser usado para otimizar o uso de recursos. Em um sistema de osmose reversa, é fundamental que o volume de água seja controlado para evitar o desperdício e garantir que a purificação seja feita de forma eficiente. O Arduino pode ser programado para manter o nível de água dentro de uma faixa ideal, economizando energia e prolongando a vida útil dos componentes (Splabor, 2024).
Outro benefício do uso desses sensores com Arduino é a capacidade de personalização. O sistema pode ser ajustado para atender a diferentes demandas de purificação, permitindo que o usuário defina limites específicos para os níveis de TDS, condutividade e água. Isso é particularmente útil em diferentes contextos de aplicação, como residências, indústrias e sistemas agrícolas (Cuambe, 2023).
A integração do medidor de TDS, sensor de condutividade e de nível de água em um sistema de osmose reversa com Arduino também promove uma manutenção preditiva. Ao monitorar constantemente os dados, o sistema pode alertar os operadores sobre a necessidade de limpeza ou troca de filtros antes que problemas maiores ocorram, evitando paradas inesperadas e prolongando a vida útil do sistema (Splabor, 2024).
Do ponto de vista técnico, a calibração dos sensores é uma etapa crítica para garantir a precisão das medições. O sensor de TDS e o sensor de condutividade precisam ser calibrados regularmente, utilizando soluções padrão para garantir que as leituras sejam consistentes e confiáveis. O Arduino facilita esse processo, pois permite a reprogramação e ajuste dos sensores de forma simples (Almeida, 2023).
O sistema também pode ser expandido com o uso de atuadores, como válvulas automáticas, que podem ser controladas pelo Arduino com base nas leituras dos sensores. Isso oferece uma camada adicional de automação, permitindo que o sistema se ajuste automaticamente às condições de operação, sem a necessidade de intervenção humana constante (Natividade et al., 2024).
A utilização de bibliotecas específicas para Arduino, como as de leitura de sensores analógicos ou digitais, simplifica a implementação desses dispositivos em um sistema de osmose reversa. Isso torna o desenvolvimento mais acessível para iniciantes e permite que o sistema seja configurado de forma modular, adicionando ou removendo sensores conforme necessário (Klaus, 2020).
Este estudo se justifica pela necessidade de monitoramento preciso e eficiente da qualidade da água e do funcionamento do sistema. A integração desses sensores com a plataforma Arduino permite a automatização do controle de parâmetros críticos, como a concentração de sólidos dissolvidos, a condutividade elétrica e o nível de água, garantindo que o processo de purificação atenda aos padrões de pureza estabelecidos. Além disso, a automação com Arduino oferece uma solução de baixo custo, altamente personalizável e escalável, contribuindo para a otimização do uso de recursos, a redução de intervenções manuais e a implementação de estratégias de manutenção preditiva, essenciais para a sustentabilidade e eficiência do sistema.
Sendo assim o objetivo geral deste trabalho é analisar um protótipo medidor de TDS sensor de condutividade e de nível de água de osmose reversa com arduíno, ao mesmo tempo como objetivos específicos: (1) identificar os princípios de osmose reversa e tratamento de água; (2) verificar os sensores de qualidade da água: TDS e condutividade, e por fim (3) descreve como ocorre o sistema de automação e monitoramento com arduíno.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Princípios de osmose reversa e tratamento de água
A osmose reversa é uma tecnologia amplamente utilizada no tratamento de água, baseada em princípios físicos e químicos que permitem a remoção de impurezas e sólidos dissolvidos. O processo envolve a passagem de água através de uma membrana semipermeável, que separa as partículas indesejadas da água pura. A osmose reversa é uma solução eficaz para garantir a potabilidade da água e é amplamente aplicada em diversas indústrias, como na purificação de água potável, na dessalinização e no tratamento de águas residuais (Almeida, 2021).
O princípio fundamental da osmose reversa é a pressão osmótica. Quando duas soluções de diferentes concentrações são separadas por uma membrana semipermeável, a água tende a se mover da região com menor concentração de solutos (solução diluída) para a região com maior concentração (solução concentrada) até que um equilíbrio seja alcançado. Esse fenômeno é conhecido como osmose. Na osmose reversa, no entanto, uma pressão externa é aplicada à solução concentrada, forçando a água a fluir na direção oposta, ou seja, da solução mais concentrada para a mais diluída (Oliveira, 2022).
A membrana utilizada na osmose reversa é o componente crucial do sistema. Ela é projetada para permitir a passagem de moléculas de água enquanto retém a maioria dos sólidos dissolvidos, contaminantes, bactérias e outros poluentes. Essas membranas são geralmente fabricadas de polímeros sintéticos e possuem poros de tamanho nanométrico, tornando-as altamente seletivas. A escolha da membrana correta é essencial para a eficiência do sistema de osmose reversa e depende das características da água a ser tratada (Damasceno, 2023).
Um dos principais benefícios da osmose reversa é sua capacidade de remover uma ampla gama de contaminantes. Além de sólidos dissolvidos, a osmose reversa é eficaz na remoção de metais pesados, pesticidas, nitratos, sulfatos e microorganismos, como bactérias e vírus. Isso torna a osmose reversa uma tecnologia valiosa para garantir a segurança da água potável em regiões com recursos hídricos contaminados ou em situações onde a qualidade da água não pode ser garantida (Zanette et al., 2024).
A osmose reversa também desempenha um papel importante na dessalinização da água do mar, um processo crucial em áreas costeiras com escassez de água doce. Ao utilizar osmose reversa, é possível transformar água salgada em água potável, atendendo às necessidades de abastecimento em regiões áridas. Este processo tem se tornado cada vez mais comum, especialmente em países do Oriente Médio e em ilhas onde o acesso a fontes de água doce é limitado (Oliveira, 2022).
A pressão necessária para o funcionamento do sistema varia de acordo com a salinidade da água de entrada e a eficiência da membrana. Sistemas de osmose reversa modernos são projetados para otimizar o consumo de energia, ajustando a pressão conforme as condições de operação, o que contribui para a sustentabilidade do processo (Zanette et al., 2024).
O tratamento de água por osmose reversa pode ser complementado com outros processos de purificação, como pré-filtração e desinfecção. Pré-filtros são utilizados para remover partículas maiores e sedimentos que podem entupir a membrana, enquanto processos de desinfecção, como a cloração ou a radiação UV, podem ser aplicados após a osmose reversa para eliminar qualquer microorganismo remanescente. A combinação desses métodos garante uma água purificada e segura para o consumo humano (Damasceno, 2023).
Embora a osmose reversa seja uma tecnologia eficaz, existem desvantagens que devem ser consideradas. Um dos principais desafios é a produção de resíduos, que inclui o concentrado, ou água residual, que contém os contaminantes removidos. A gestão adequada desse efluente é essencial para evitar impactos ambientais negativos. Além disso, a osmose reversa pode resultar em uma perda de minerais benéficos, como cálcio e magnésio, que podem ser importantes para a saúde humana (Almeida, 2021).
A manutenção regular dos sistemas de osmose reversa é fundamental para garantir sua eficiência e longevidade. Isso inclui a limpeza e a substituição periódica das membranas e dos pré-filtros. A obstrução das membranas pode reduzir a eficiência do sistema e aumentar os custos operacionais, tornando a monitorização constante e a manutenção um aspecto crucial do processo (Zanette et al., 2024).
Além disso, a qualidade da água de entrada tem um impacto significativo na eficiência do sistema de osmose reversa. Para otimizar o desempenho, é importante realizar análises regulares da água a ser tratada, identificando a presença de contaminantes específicos e ajustando o sistema conforme necessário. Isso pode incluir a seleção de membranas adequadas e ajustes nas condições operacionais (Damasceno, 2023).
A osmose reversa é amplamente utilizada em diversas aplicações, incluindo em indústrias alimentícias e farmacêuticas, onde a pureza da água é crítica. Na indústria alimentícia, a osmose reversa é utilizada na produção de bebidas, sucos e outros produtos, garantindo a remoção de impurezas que poderiam afetar o sabor e a qualidade dos produtos finais. Na indústria farmacêutica, a água purificada é essencial para a fabricação de medicamentos e vacinas, onde a contaminação pode comprometer a eficácia e a segurança (Oliveira, 2022).
A conscientização sobre a importância da água potável e os desafios relacionados à sua escassez têm impulsionado o desenvolvimento e a adoção de tecnologias de osmose reversa em todo o mundo. Com o aumento da demanda por água tratada, a osmose reversa se destaca como uma solução viável e eficiente, contribuindo para a segurança hídrica e a saúde pública (Almeida, 2021).
A evolução das tecnologias de osmose reversa tem sido acompanhada por inovações em pesquisa e desenvolvimento, que visam melhorar a eficiência energética e reduzir custos. Pesquisas estão sendo realizadas para o desenvolvimento de membranas mais eficientes, que não apenas aumentem a taxa de passagem de água, mas também sejam mais resistentes a contaminações e obstruções. Essas inovações são fundamentais para a sustentabilidade a longo prazo dos sistemas de osmose reversa (Zanette et al., 2024).
A osmose reversa representa uma solução eficaz e adaptável para o tratamento de água, oferecendo uma abordagem integrada que pode ser personalizada para atender a diversas necessidades. À medida que os desafios relacionados à água se intensificam em todo o mundo, a osmose reversa continuará a desempenhar um papel crucial na gestão dos recursos hídricos e na proteção da saúde pública (Oliveira, 2022).
2.2 Sensores de qualidade da água: TDS e condutividade
Os sensores de qualidade da água, como os medidores de TDS (Total de Sólidos Dissolvidos) e os sensores de condutividade, são fundamentais para o monitoramento e controle da pureza da água em sistemas de tratamento e abastecimento. Esses dispositivos permitem a detecção de impurezas e contaminantes, contribuindo para garantir que a água atenda aos padrões de potabilidade e segurança (Baumart; Kapusta, 2020).
O sensor de TDS é projetado para medir a quantidade total de sólidos dissolvidos em uma amostra de água, expressa em partes por milhão (ppm). Os sólidos dissolvidos podem incluir sais, minerais, metais pesados e outras substâncias que podem afetar a qualidade da água. O monitoramento regular do TDS é essencial em sistemas de osmose reversa, onde é necessário garantir que a água purificada mantenha níveis aceitáveis de pureza (Pontes, 2023).
A medição de TDS é realizada através de um processo eletroquímico. O sensor consiste em dois eletrodos que geram uma corrente elétrica quando submersos na água. A resistência elétrica da água é inversamente proporcional à concentração de íons dissolvidos; portanto, quanto maior a quantidade de sólidos dissolvidos, menor será a resistência e maior será a condutividade. O sensor converte essas medições em uma leitura de TDS, permitindo a avaliação da qualidade da água (Noleto, 2022).
Os sensores de condutividade, por sua vez, medem a capacidade da água de conduzir eletricidade, que está diretamente relacionada à concentração de íons presentes. A condutividade é influenciada pela presença de substâncias como sais, ácidos e bases. Esses sensores são fundamentais em várias aplicações, como no controle de processos industriais, na aquicultura e no monitoramento ambiental, uma vez que a variação na condutividade pode indicar alterações na qualidade da água (Neto, 2022).
A relação entre TDS e condutividade é crucial para o entendimento da qualidade da água. Embora TDS e condutividade sejam medidas distintas, há uma correlação direta entre elas. Para água potável, uma regra geral é que o TDS pode ser estimado a partir da condutividade multiplicada por um fator de conversão, que varia de acordo com a composição da água. Essa relação torna os sensores de condutividade uma ferramenta útil para monitorar a qualidade da água de forma rápida e eficaz (Mangueira, 2023).
A precisão dos sensores de TDS e condutividade depende de fatores como temperatura, salinidade e a presença de compostos específicos na água. A temperatura, por exemplo, pode afetar a condutividade da água, já que a maioria das reações químicas se torna mais rápida em temperaturas mais altas. Por isso, muitos sensores modernos incorporam compensação de temperatura, garantindo que as medições sejam ajustadas para refletir com precisão a qualidade da água (Baumart; Kapusta, 2020).
Além da medição direta, a instalação de sensores de TDS e condutividade em sistemas automatizados, como aqueles controlados por Arduino, permite a implementação de sistemas de alerta. Se os níveis de TDS ou condutividade ultrapassarem limites pré-definidos, o sistema pode acionar alarmes ou tomar ações corretivas, como interromper a operação ou iniciar a purificação adicional da água. Essa automação aumenta a eficiência operacional e reduz a necessidade de intervenções manuais (Pontes, 2023).
Os sensores de TDS e condutividade também são utilizados em monitoramento ambiental, onde a qualidade da água é vital para ecossistemas aquáticos e para a saúde pública. Medições regulares podem ajudar a identificar poluição, mudanças sazonais e outros fatores que afetam a qualidade da água em rios, lagos e reservatórios. Isso permite que as autoridades tomem decisões informadas sobre intervenções e medidas de proteção (Baumart; Kapusta, 2020).
Em aplicações industriais, a medição de TDS e condutividade é essencial para garantir a qualidade do produto e a eficiência do processo. Em indústrias como a alimentícia e a farmacêutica, onde a pureza da água é crítica, a monitorização contínua desses parâmetros ajuda a evitar contaminações e a garantir que os padrões de qualidade sejam mantidos. Essa monitorização contribui para a conformidade com as regulamentações e a segurança do consumidor (Pontes, 2023).
A calibração regular dos sensores é crucial para garantir a precisão das medições. Os sensores de TDS e condutividade devem ser calibrados com soluções padrão que conhecem a concentração exata de sólidos dissolvidos ou condutividade. A falta de calibração pode resultar em leituras imprecisas, afetando a avaliação da qualidade da água e, consequentemente, a eficácia dos processos de tratamento (Noleto, 2022).
Além dos sensores de TDS e condutividade, outros dispositivos de monitoramento de qualidade da água podem ser integrados ao sistema, como sensores de pH e oxigênio dissolvido.
A combinação dessas medições oferece uma visão abrangente da qualidade da água, permitindo que os operadores ajustem o tratamento de forma precisa e eficaz. Essa abordagem integrada é especialmente útil em sistemas complexos de purificação e em aplicações que exigem altos padrões de qualidade (Neto, 2022).
Os avanços na tecnologia de sensores têm levado ao desenvolvimento de dispositivos mais compactos, acessíveis e precisos. Sensores digitais, por exemplo, oferecem medições em tempo real com conectividade, permitindo a transmissão de dados para plataformas de monitoramento remoto. Isso facilita o controle da qualidade da água e possibilita a coleta de dados para análise e otimização de processos (Baumart; Kapusta, 2020).
Os sensores de qualidade da água, como os de TDS e condutividade, são fundamentais para a promoção da sustentabilidade hídrica. A monitorização eficiente da qualidade da água permite a identificação de problemas precoces e a implementação de medidas corretivas, ajudando a proteger os recursos hídricos e garantir que a água permaneça segura e disponível para as futuras gerações (Pontes, 2023
A integração de sensores de TDS e condutividade em sistemas de purificação e tratamento de água é uma prática que traz benefícios significativos para a gestão da qualidade da água. A combinação de tecnologias de monitoramento com automação permite que as operações sejam mais eficientes, sustentáveis e confiáveis, contribuindo para a saúde pública e a proteção do meio ambiente. À medida que a demanda por água tratada cresce, a importância desses sensores na gestão da qualidade da água se torna ainda mais evidente (Noleto, 2022).
2.3 Automação e monitoramento com arduino
A automação e monitoramento com Arduino têm se tornado uma tendência crescente em diversos setores, especialmente no tratamento de água. A plataforma Arduino, conhecida por sua acessibilidade e versatilidade, permite a criação de sistemas que integram sensores, atuadores e interfaces de usuário de maneira simples e eficaz. Essa tecnologia tem sido amplamente aplicada para monitorar a qualidade da água e otimizar processos, como a osmose reversa (Saraiva, 2024).
Um dos principais benefícios do uso do Arduino é sua capacidade de receber e processar dados em tempo real de múltiplos sensores. Sensores de qualidade da água, como TDS e condutividade, podem ser facilmente conectados ao Arduino, permitindo a medição contínua de parâmetros críticos. Essa automação possibilita a coleta de dados precisos e frequentes, essenciais para a avaliação da qualidade da água em sistemas de tratamento (Monteiro, 2020).
A programação do Arduino é intuitiva e acessível, permitindo que profissionais de diferentes áreas, incluindo engenheiros, técnicos e até mesmo entusiastas, desenvolvam projetos personalizados. A linguagem de programação usada é semelhante ao C/C++, facilitando a inclusão de lógica e condições que permitem ao sistema responder a mudanças nas medições dos sensores. Isso torna possível a implementação de ações automáticas com base em parâmetros previamente estabelecidos (Costa, 2021).
Além de medir a qualidade da água, a automação com Arduino também permite o controle de processos. Por exemplo, se os níveis de TDS ou condutividade ultrapassarem limites aceitáveis, o sistema pode acionar automaticamente válvulas, bombas ou sistemas de purificação adicionais. Essa capacidade de resposta rápida é fundamental para garantir a eficiência e a segurança do sistema de tratamento de água (Ali, 2022).
Outro aspecto importante da automação com Arduino é a possibilidade de integrar interfaces de usuário, como displays LCD, LEDs e módulos de comunicação, como Wi-Fi ou Bluetooth. Isso facilita a visualização em tempo real dos dados coletados e das condições do sistema, proporcionando uma interface amigável para os operadores. A possibilidade de comunicação remota também permite que os dados sejam monitorados de qualquer lugar, aumentando a conveniência e a eficácia da supervisão (Teixeira et al., 2024).
A automação não apenas melhora a eficiência operacional, mas também reduz a necessidade de intervenções manuais. Em sistemas que dependem de medições contínuas, a automação com Arduino minimiza o risco de erros humanos e aumenta a confiabilidade dos dados. Isso é especialmente importante em aplicações críticas, como na purificação de água potável, onde a precisão das medições pode ter um impacto significativo na saúde pública (Saraiva, 2024).
Os sistemas automatizados com Arduino também podem ser equipados com funções de alerta. Se os sensores detectarem condições anômalas, como níveis elevados de TDS ou condutividade, o sistema pode enviar notificações por meio de e-mails ou mensagens SMS. Essa funcionalidade permite que os operadores tomem ações corretivas imediatamente, evitando danos ao sistema ou à qualidade da água tratada (Teixeira et al., 2024).
A flexibilidade do Arduino permite que projetos de automação sejam facilmente escaláveis. À medida que as necessidades de monitoramento e controle mudam, novos sensores e atuadores podem ser adicionados ao sistema sem grandes dificuldades. Essa adaptabilidade torna o Arduino uma escolha popular para projetos de automação em setores que evoluem rapidamente, como o tratamento de água (Saraiva, 2024).
O uso do Arduino em automação também se estende ao monitoramento ambiental. Sensores podem ser instalados em diferentes pontos de um sistema hídrico para avaliar a qualidade da água em tempo real, fornecendo dados valiosos para pesquisas e gestão ambiental. A coleta e análise desses dados podem contribuir para a conservação de recursos hídricos e a identificação de fontes de poluição (Saraiva, 2024).
A implementação de sistemas de automação com Arduino não se limita apenas ao tratamento de água. O mesmo conceito pode ser aplicado em várias áreas, como agricultura, aquicultura e indústria, onde o monitoramento de condições ambientais e de processos é crucial. Essa versatilidade torna o Arduino uma ferramenta poderosa para o desenvolvimento de soluções inovadoras em diferentes contextos (Teixeira et al., 2024).
A crescente popularidade do Arduino também se reflete na comunidade de usuários que compartilham conhecimentos, experiências e projetos. Essa rede colaborativa é uma fonte valiosa de informação e suporte, facilitando o aprendizado e a troca de ideias. Projetos de automação e monitoramento desenvolvidos com Arduino são frequentemente documentados em fóruns e plataformas online, incentivando a inovação e o aprimoramento contínuo (Saraiva, 2024).
A automação com Arduino também pode contribuir para a sustentabilidade. Sistemas automatizados que monitoram e controlam o uso de água ajudam a reduzir o desperdício e a melhorar a eficiência dos processos. Em um contexto global de escassez de água, tecnologias que promovem a conservação e o uso responsável dos recursos hídricos são cada vez mais essenciais (Teixeira et al., 2024).
O desenvolvimento de sistemas de automação com Arduino não apenas melhora a eficiência, mas também capacita as comunidades a gerenciar seus próprios recursos. Projetos comunitários que utilizam Arduino para monitoramento de água podem fornecer dados que empoderam os cidadãos na tomada de decisões sobre a gestão de seus recursos hídricos. Essa abordagem participativa promove a conscientização sobre a importância da água e a necessidade de práticas sustentáveis (Saraiva, 2024).
A automação e monitoramento com Arduino representam uma convergência entre tecnologia e sustentabilidade. A capacidade de monitorar e controlar a qualidade da água em tempo real, aliado à acessibilidade da plataforma Arduino, abre novas possibilidades para a gestão eficiente dos recursos hídricos. À medida que avançamos em direção a um futuro mais sustentável, a automação com Arduino continuará a desempenhar um papel fundamental na proteção e conservação da água, vital para a saúde do planeta e das futuras gerações.
3. METODOLOGIA
O presente estudo trata-se de uma pesquisa qualitativa do tipo estudo de caso, onde foi realizado um protótipo funcional que monitore a qualidade da água através de um medidor de TDS e sensores de nível de água, utilizando a plataforma Arduino para controle e automação. O sistema deve ser capaz de fornecer leituras em tempo real e emitir alertas em condições de nível crítico.
3.1 Material
Para a construção do protótipo (Figura 1), os seguintes componentes serão utilizados: 01 Módulo Medidor de Qualidade da Água TDS Analógico Meter V1.0; 02 Sensores de Nível de Líquidos Sem Contato XKC-Y26-V (um para nível médio e outro para nível baixo); 01 Kit Starter para Arduino com UNO R3; 01 Mini Chave Gangorra Preta KCD11-101 3A 250V; 01 Kit Cabo Jumper Macho-Fêmea (40 Unidades, 20cm); 01 Display LCD 16X2 Azul com Módulo I2C Soldado; 01 Buzzer Ativo 5V; 01 Transistor BC548 NPN; 01 Protoboard (400 Furos) e 01 Fonte Chaveada 12V 3ª
3.2 Desenvolvimento do Protótipo
3.2.1.1 Montagem do Circuito
- Protoboard e Conexões: Iniciou-se conectando (Figura 2) todos os componentes à protoboard. Utilize os cabos jumper para fazer as ligações entre o Arduino e os sensores, o medidor de TDS, o display LCD, o buzzer e a fonte de alimentação.
- Conexão do Módulo TDS: Conectu-se o módulo TDS ao Arduino. O módulo terá pinos de sinal (SA) e alimentação (VCC e GND).
- Conexão dos Sensores de Nível: Instalou-se os sensores de nível XKC-Y26-V nas posições desejadas para monitorar o nível médio e baixo de água. Conecte seus pinos de sinal ao Arduino.
- Display LCD: Conectou o display LCD com o módulo I2C ao Arduino, facilitando a visualização das medições em tempo real.
- Buzzer e Transistor: O buzzer será conectado a um transistor BC548 para permitir o acionamento em níveis de alerta, como níveis baixos de água.
3.2.1.2 Programação do Arduino
- Instalação da IDE Arduino: Utilize a IDE do Arduino para programar o microcontrolador. Certifique-se de que todas as bibliotecas necessárias para o display LCD e sensores estão instaladas.
- Código Inicial : Desenvolva um código (Figura 3) que inicialize os sensores e realize leituras periódicas de TDS e do nível de água. O código deve incluir:
• Leitura do sensor de TDS e conversão do sinal analógico para valores em ppm.
• Leitura dos sensores de nível para determinar se a água está em níveis seguros.
• Condições para acionar o buzzer em caso de níveis críticos (baixo ou muito alto).
• Atualização do display LCD com as leituras em tempo real.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Análise da Precisão e Confiabilidade dos Sensores
A precisão refere-se à capacidade do sensor de fornecer leituras próximas ao valor verdadeiro, enquanto a confiabilidade se relaciona à consistência das medições ao longo do tempo. Neste contexto, é essencial realizar uma avaliação sistemática para determinar se os sensores utilizados atendem aos requisitos de qualidade e desempenho. Natividade et al. (2024), afirma que a análise da precisão e confiabilidade dos sensores é fundamental para garantir a eficácia de um sistema de monitoramento de qualidade da água, especialmente em aplicações que envolvem o uso de medidores de TDS e sensores de nível de água.
Para validar a precisão do módulo medidor de TDS, foram realizadas comparações entre as leituras do sensor e soluções padrão com concentrações conhecidas de TDS. Essa calibração é uma etapa crítica que assegura que o sensor esteja respondendo de maneira adequada às variações na qualidade da água. Klaus (2020), destaca que os sensores de TDS são projetados para medir a quantidade total de sólidos dissolvidos em uma amostra de água, o que é um indicador crucial da qualidade da água.
A análise das leituras de TDS revelou que, em muitos casos, o sensor conseguiu detectar variações de concentração com precisão razoável. Almeida (2023), afirma que algumas medições apresentaram desvios em relação aos valores esperados, o que pode ser atribuído a fatores como a temperatura da água, a presença de substâncias interferentes e a degradação do sensor ao longo do tempo. Portanto, a identificação dessas variáveis é vital para garantir a precisão contínua do sensor.
Além disso, os sensores de nível de água utilizados no protótipo foram testados para avaliar sua sensibilidade e precisão na detecção de níveis críticos de água. Os testes revelaram que, embora os sensores fossem geralmente confiáveis, existiram algumas inconsistências em medições em condições extremas, como em temperaturas muito altas ou muito baixas. Almeida (2023), esclarece que os sensores de nível sem contato (XKC-Y26-V) são projetados para operar de forma confiável em diferentes condições ambientais.
Para aumentar a confiabilidade, os sensores devem ser calibrados regularmente, especialmente em ambientes onde as condições da água podem variar significativamente. A calibração frequente permite ajustar os sensores para que suas leituras permaneçam precisas e consistentes. Teixeira et al. (2024), afirma que o uso de múltiplos sensores em diferentes pontos de monitoramento pode aumentar a confiabilidade dos dados coletados, permitindo uma comparação cruzada das medições.
Um dos desafios na análise de precisão é a interferência de outros fatores químicos e físicos presentes na água. Elementos como sais, metais pesados e outros contaminantes podem afetar as medições de TDS. Damasceno (2023), afirma que a análise da água deve considerar não apenas os valores de TDS, mas também outros parâmetros de qualidade da água, como pH e condutividade, para uma avaliação mais abrangente.
A análise da precisão dos sensores também deve incluir a avaliação de seu tempo de resposta. Portanto, testes foram realizados para medir o tempo de resposta dos sensores em diferentes condições, proporcionando uma visão clara de sua eficácia em cenários dinâmicos. Oliveira (2022), destaca que um sensor que leva muito tempo para estabilizar suas leituras pode não ser útil em aplicações onde mudanças rápidas na qualidade da água são esperadas.
A confiabilidade dos sensores também está intrinsecamente ligada ao seu desgaste e manutenção. A análise deve incluir uma estratégia de manutenção preventiva para garantir que os sensores sejam inspecionados e, quando necessário, substituídos antes que sua precisão se torne comprometida. Zanette et al. (2024), informa que os sensores que operam em ambientes agressivos ou que estão expostos a condições de uso prolongado podem sofrer degradação.
Outra consideração importante na análise da precisão e confiabilidade dos sensores é a implementação de um sistema de feedback que permita ajustes em tempo real. Almeida (2023), afirma que se um sensor detectar uma variação significativa em suas leituras, o sistema pode alertar os operadores sobre a necessidade de verificação ou calibração, garantindo que a qualidade da água seja mantida dentro de limites aceitáveis.
Os dados coletados durante a análise de precisão e confiabilidade dos sensores também podem ser utilizados para desenvolver algoritmos de correção que melhorem a precisão das medições. Natividade et al. (2024), destaca que através da modelagem estatística, é possível identificar padrões e anomalias nas leituras, permitindo uma interpretação mais confiável dos dados e um ajuste automático das medições quando necessário.
A implementação de práticas rigorosas de calibração, manutenção e validação contínua dos sensores garantirá que o sistema funcione de maneira eficiente, proporcionando dados precisos e confiáveis. Damasceno (2023), afirma que a análise da precisão e confiabilidade dos sensores é um aspecto crucial no desenvolvimento de sistemas de monitoramento de qualidade da água. Esses dados são essenciais para a tomada de decisões informadas em relação ao tratamento e monitoramento da água, contribuindo para a saúde pública e a preservação dos recursos hídricos.
A confiança na precisão e confiabilidade dos sensores não apenas impacta a eficácia dos sistemas de monitoramento, mas também influencia a aceitação e adoção dessas tecnologias em ambientes industriais e comunitários. Almeida (2023), explica que a medida que os sistemas de monitoramento se tornam mais sofisticados, a necessidade de sensores confiáveis e precisos se tornará ainda mais crítica para enfrentar os desafios relacionados à qualidade da água em um mundo em rápida mudança.
4.2 Avaliação do sistema de alerta e automação
A avaliação do sistema de alerta e automação é um aspecto crucial no desenvolvimento de um protótipo de monitoramento de qualidade da água, especialmente ao utilizar sensores de TDS e nível de água com Arduino. Baumart, Kapusta (2020), afirma que um sistema de alerta eficaz não apenas informa os operadores sobre condições adversas, mas também permite a automação de processos que podem prevenir problemas antes que eles ocorram. A automação no monitoramento da qualidade da água oferece uma abordagem proativa na identificação de problemas.
Ao integrar sensores de TDS e de nível de água a um sistema controlado pelo Arduino, é possível criar um ambiente onde dados são coletados continuamente e analisados em tempo real. Oliveira (2022), destaca que quando as medições ultrapassam limites predefinidos, o sistema aciona automaticamente alertas visuais e sonoros, como LEDs e buzzers, indicando a necessidade de atenção imediata.
Durante os testes do sistema de alerta, foram definidos limites críticos para as medições de TDS e níveis de água. Esses limites foram estabelecidos com base em padrões de qualidade da água e em considerações práticas de operação. Por exemplo, um nível de TDS superior a 500 ppm pode ser considerado crítico para água potável. Teixeira et al. (2024), afirma que quando esse limite é ultrapassado, o sistema emite um alerta sonoro e visual, permitindo que os operadores tomem medidas corretivas de forma imediata.
Além de alertar sobre condições adversas, o sistema de automação também desempenha um papel fundamental na operação de válvulas e bombas. Quando os sensores de nível de água detectam um nível baixo, por exemplo, o sistema pode automaticamente acionar uma bomba para repor a água. Cuambe (2023), destaca que isso não apenas assegura que o sistema opere de maneira contínua, mas também minimiza o risco de falhas que poderiam resultar em perda de eficiência ou danos ao equipamento.
Uma das vantagens significativas da automação é a redução da necessidade de monitoramento manual. Em ambientes onde a qualidade da água é crítica, como em instalações industriais ou em sistemas de abastecimento, o monitoramento contínuo pode ser difícil. Damasceno (2023), destaca que a automação libera os operadores de tarefas repetitivas, permitindo que eles se concentrem em ações corretivas e estratégicas, aumentando a eficiência geral do sistema.
A implementação de um sistema de alerta também proporciona a oportunidade de coletar dados históricos sobre a qualidade da água. Por exemplo, se os alertas de TDS aumentam em determinadas épocas do ano, isso pode indicar a necessidade de intervenções específicas, como a troca de filtros ou a realização de manutenções programadas. Saraiva (2024), afirma que essas informações podem ser analisadas para identificar padrões e tendências ao longo do tempo.
Outra consideração importante é a usabilidade do sistema de alerta. O display LCD, por exemplo, deve mostrar não apenas as medições atuais de TDS e nível de água, mas também indicar claramente se os limites críticos foram excedidos e qual ação foi tomada pelo sistema. Baumart, Kapusta (2020), esclarece que o design da interface deve ser intuitivo, permitindo que os operadores rapidamente compreendam as informações apresentadas.
Durante os testes, foi observado que um sistema de feedback em tempo real é essencial para a eficácia do sistema de alerta. Quando um alerta é acionado, a resposta do sistema deve ser instantânea. Oliveira (2022), destaca que isso pode incluir não apenas a emissão de um alerta sonoro, mas também a atualização das medições no display e a gravação de eventos em um log para análise futura. A capacidade de resposta rápida ajuda a garantir que os operadores possam agir de forma eficaz diante de situações críticas.
A integração de tecnologias de comunicação, como Wi-Fi ou Bluetooth, pode ampliar ainda mais a funcionalidade do sistema de alerta e automação. Isso é especialmente útil em operações que exigem vigilância constante, permitindo uma resposta mais rápida a condições adversas. Cuambe (2023), afirma que ao permitir que os dados sejam acessados remotamente, os operadores podem monitorar a qualidade da água de qualquer lugar.
A capacidade de reiniciar automaticamente ou enviar notificações sobre falhas é crucial para garantir que o sistema permaneça operante, mesmo em circunstâncias adversas. Natividade et al. (2024), esclarece que a confiabilidade do sistema de alerta também deve ser testada em condições variadas. Durante os testes, simulações de falhas, como a interrupção de alimentação elétrica ou falhas nos sensores, foram realizadas para avaliar como o sistema responde.
Outro aspecto a ser considerado é a possibilidade de personalização do sistema de alerta. Cada instalação pode ter requisitos diferentes com relação aos limites de TDS e níveis de água, e um sistema flexível deve permitir que esses parâmetros sejam ajustados conforme necessário. Zanette et al. (2024), afirma que a capacidade de modificar limites e a lógica do sistema por parte dos operadores aumenta a adaptabilidade e eficácia do sistema de monitoramento.
Além disso, a documentação do sistema de alerta e automação deve ser completa. Manuais e guias de usuário que detalhem como configurar e operar o sistema, bem como como responder a alertas, são essenciais para garantir que os operadores possam maximizar o uso da tecnologia. Damasceno (2023), esclarece que isso também facilita o treinamento de novos operadores, garantindo uma transição suave e contínua no gerenciamento do sistema.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A análise do protótipo de medidor de TDS, sensor de condutividade e de nível de água de osmose reversa utilizando Arduino demonstrou a importância e a eficácia da automação e monitoramento na gestão da qualidade da água. Através da integração de sensores de alta precisão e sistemas de alerta, foi possível não apenas monitorar a qualidade da água em tempo real, mas também implementar ações corretivas automáticas que garantem a eficiência e segurança do sistema.
A avaliação da precisão e confiabilidade dos sensores revelou a necessidade de calibrações regulares e manutenção preventiva para assegurar a exatidão das medições. Apesar de alguns desafios, como a interferência de substâncias químicas e condições ambientais adversas, os sensores mostraram-se adequados para as aplicações propostas, permitindo a obtenção de dados relevantes para o tratamento da água.
Por outro lado, a implementação de um sistema de alerta eficaz, juntamente com automação, reduziu a necessidade de monitoramento manual e proporcionou uma resposta rápida a condições críticas, minimizando os riscos de falhas no sistema. A coleta de dados históricos também permitirá análises futuras, contribuindo para a melhoria contínua dos processos de tratamento e gestão da qualidade da água.
A capacidade de personalizar e adaptar o sistema às necessidades específicas de diferentes ambientes de aplicação é um aspecto que aumenta a flexibilidade e a eficácia do protótipo. Além disso, a possibilidade de integração com tecnologias de comunicação remota abre novas perspectivas para o monitoramento em tempo real, tornando o sistema ainda mais robusto.
Portanto, o desenvolvimento e a análise deste protótipo evidenciam não apenas os avanços tecnológicos na área de monitoramento de água, mas também a relevância da automação na preservação de recursos hídricos essenciais. A continuidade dos testes e o aprimoramento do sistema proporcionarão contribuições significativas para práticas de tratamento de água mais eficientes e sustentáveis, beneficiando tanto a saúde pública quanto o meio ambiente.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALI, M.S.A. Dispositivos de medição de consumo de água usando conceitos de IoT. Orientador: Marcelo Borges Nogueira. 2022. 49 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecatrônica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022.
ALMEIDA, F.E. Purificação de água para indústria de cosméticos pelo processo de osmose reversa. 2021. 33f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Química) – Faculdade Anhanguera de Jacareí, 2021.
ALMEIDA, I.A Desenvolvimento de dispositivo de medição de condutividade elétrica da água. Anais do IV ALMEIDA CoBICET – Trabalho completo. Congresso Brasileiro Interdisciplinar em Ciência e Tecnologia. 2023.
BAUMART, JC.L.; KAPUSTA, S.C. Proposição de designs para um protótipo de monitoramento da qualidade da água em tempo real. 9 SICT – Seminário de Iniciação Cientifica e Tecnológica. v.9, dez. 2020.
COSTA, T.T. Estação de Monitorização de Parâmetros de Qualidade da Água. 2021. 18f Dissertação – Universidade do Minho (Portugal). 2021.
CUAMBE, C.C.I. Desenvolvimento de um sistema de monitoria da qualidade da água potável com base em internet of things (IOT). 2023. 71f . Trabalho de Conclusão de Curso (engenharia informática pós – Laboral) – Universidade Eduardo Mondlane. 2023.
DAMASCENO, C.X. Simulação de tratamento de água para geração de vapor: análise comparativa de dados randômicos com parâmetros reais. 2023. 63f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química), Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.
KLAUS, R.B.P. Protótipo de uma plataforma para monitoramento das condições físicoquímicas do Rio Araranguá. 2020. 53f. TCC graduação Engenharia da Computação) – Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Araranguá. 2020.
MANGUEIRA, V.S. Sistema de monitoramento e controle para hidroponia de pequeno porte. 2023. 83f. Trabalho de Conclusão de Curso (Tecnólogo em Automação Industrial) – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba, Cajazeiras, 2023.
MONTEIRO, L.N. Sistema de monitoramento da qualidade da água em tempo real. 2020. 109f. Dissertação de mestrado (Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual Paulista (Unesp). 2020.
NATIVIDADE, J.S. et al. Learning embedded systems through a water quality monitoring system in riverside communities with Arduino. Seven Editora, [S. l.], p. 924–934, 2024.
NETO, M.F.M. Desenvolvimento de protótipo de sistema de baixo custo para monitoramento da qualidade da água de Bacias Amazônicas. 2022. 71f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Eletrônica). Universidade do Estado do Amazonas, 2022.
NOLETO, I.A. Desenvolvimento de medidor inteligente de parâmetros de fluxo de água com uso de internet das coisas. 2022. 36f.Monografia (Ciência e Tecnologia) – Universidade Federal Rural do Semi-Árido. 2022.
OLIVEIRA, J.L. Avaliação de membranas de osmose inversa no tratamento de chorume do centro de tratamento de resíduos sólidos do município de campos dos goytacazes – RJ. 2022. 52f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Ambiental) – Instituto Federal Goiano. 2022.
OLIVEIRA, L.F. Avaliação econômica da aplicação da técnica de osmose reversa para reúso da purga de torres de resfriamento. 2022. 51f. Dissertação (Mestrado Profissional em Ciência e Tecnologia Ambiental) – Faculdade de Ciências Biológicas e Saúde, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2022.
PONTES, A.I.D. Sistema de aproveitamento pluvial e validação de sensores para monitoramento da qualidade da água em tempo real. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2023.
SARAIVA, I.A.L. AquaFeed: um sistema de monitoramento dos parâmetros FísicoQuímicos e recomendação para auxílio do manejo alimentar na Piscicultura. 2024. 78 f. Dissertação (Mestrado em Informática) – Universidade Federal do Amazonas, Manaus (AM), 2024.
SPLABOR. O que é um Medidor de TDS e quais as funções ele exerce? 2024. Disponível em: https://www.splabor.com.br/blog/guia-do-comprador/o-que-e-um-medidor-de-tds-equais-as-funcoes-ele-exerce/ acessado em: 20/09/2024.
TEIXEIRA, A.L. et al. Automatização do processo de tratamento de água. 2024. Trabalho de conclusão de curso (Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial) – Faculdade de Tecnologia “Adib Moisés Dib”. São Bernardo do CAMPO, 2024.
ZANETTE, N.S. et al. Avaliação da qualidade do tratamento de água por osmose reversa em clínica de hemodiálise e seus interferentes. Revista Vincci – Periódico Científico do UniSATC, [S. l.], v. 9, n. 1, p. 169–192, 2024.
1 Graduando em Bacharelado em Engenharia elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: bruno.tecsouza@gmail.com
2 Esp. em Engenharia de Segurança do Trabalho, Orientadora do Curso de em Engenharia elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: ma.dp@uol.com.br