HYDROSAFE: WATER QUALITY MONITORING SYSTEM BASED ON SENSORS AND MICROCONTROLLERS
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/pa10202510110822
Oseias Paes Pontes
Orientador: Jonk Jones de Castro Vinente
Resumo
O acesso à água potável é um dos principais desafios enfrentados por comunidades ribeirinhas na Amazônia, onde a ausência de saneamento básico compromete a saúde pública. Este artigo apresenta o desenvolvimento do sistema HydroSafe, uma solução de monitoramento da qualidade da água baseada em sensores de pH, turbidez e temperatura, integrados a um microcontrolador programável. O estudo fundamenta-se em conceitos de instrumentação, aquisição de dados e automação, buscando oferecer uma alternativa de baixo custo, replicável e sustentável. O método incluiu a seleção de sensores, o condicionamento de sinais, a simulação em ambiente virtual e a prototipagem. A plataforma inicial foi desenvolvida utilizando o microcontrolador Arduino Uno. Os resultados demonstraram a viabilidade do sistema em testes de campo controlados no Lago Aquariquara, Manaus, com um erro percentual médio de 3,9% em relação a equipamentos de referência. Além de contribuir tecnologicamente, o HydroSafe reforça a importância de soluções acessíveis na prevenção de doenças de veiculação hídrica, apresentando perspectivas de futura integração com tecnologias de Internet das Coisas (IoT) através do ESP32 para armazenamento em nuvem e acesso remoto.
Palavras-chave: Qualidade da água. Sensores. Microcontroladores. Automação. IoT.
1. Introdução
O acesso universal à água potável é um direito humano fundamental, mas ainda distante da realidade de diversas comunidades ribeirinhas brasileiras. De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS, 2022), milhões de pessoas são expostas a riscos de doenças de veiculação hídrica devido à falta de saneamento básico e de monitoramento sistemático da água.
Na Engenharia Elétrica, avanços recentes em sensores ambientais, microcontroladores de baixo custo e sistemas embarcados têm permitido o desenvolvimento de soluções acessíveis para monitoramento em tempo real (Souza & Almeida, 2020). Tais tecnologias possibilitam a descentralização do controle de qualidade da água, historicamente restrito a grandes centros urbanos, tornando-o viável em regiões de difícil acesso.
Diante desse cenário, o problema de pesquisa que norteia este trabalho é: como desenvolver um sistema de monitoramento da qualidade da água que seja viável, replicável e de baixo custo para comunidades ribeirinhas?
O objetivo geral consiste em apresentar o sistema HydroSafe, que integra sensores de pH, turbidez e temperatura a um microcontrolador programável. Os objetivos específicos incluem: demonstrar a aplicabilidade da instrumentação eletrônica no monitoramento da água; validar o sistema por meio de simulação e prototipagem; avaliar a viabilidade prática em regiões de baixa infraestrutura.
A justificativa para esta pesquisa baseia-se na relevância social da temática e na contribuição tecnológica para o campo da automação aplicada à saúde pública.
2. Fundamentação Teórica
O monitoramento da qualidade da água tem sido objeto de estudos em diversas áreas, incluindo saúde pública, engenharia ambiental e elétrica. Para dar suporte ao desenvolvimento do HydroSafe, esta seção aprofunda os conceitos teóricos nos três pilares do projeto: os parâmetros de potabilidade, a instrumentação aplicada e a arquitetura de sistemas embarcados.
2.1. Parâmetros Críticos de Qualidade da Água e Saúde Pública
Segundo Tundisi & Matsumura-Tundisi (2017), parâmetros físico- químicos são fundamentais para identificar condições de potabilidade e segurança da água. A escolha de pH, turbidez e temperatura para o HydroSafe se deve à sua relevância como indicadores primários de contaminação e de condições ambientais propícias à proliferação de microrganismos.
2.1.1. Potencial Hidrogeniônico (pH)
O pH é uma medida da atividade de íons hidrogênio. Variações extremas de pH podem indicar contaminação industrial (drenagem ácida de minas, despejo industrial) ou desequilíbrio ecológico e afetam diretamente a eficácia de tratamentos, especialmente a cloração. A Portaria de Consolidação Nº 5 estabelece a faixa de pH de 6,0 a 9,5 para água potável, sendo seu monitoramento crucial para a saúde humana (evitando irritação em mucosas) e para o ecossistema aquático.
2.1.2. Turbidez e a Correlação com Patógenos
A turbidez é causada por partículas em suspensão (argila, silte, matéria orgânica, microrganismos) que dispersam a luz. Seu aumento está diretamente correlacionado à presença de sólidos suspensos e, frequentemente, à contaminação microbiana, pois essas partículas protegem patógenos do processo de desinfecção. É medida em Unidades Nefelométricas de Turbidez(NTU). O padrão de potabilidade brasileiro exige turbidez inferior a 5 NTU e, em alguns casos, pode ser ainda mais rigoroso. O sensor de turbidez atua como um forte indicador da qualidade sanitária e da necessidade de filtração.
2.1.3. Temperatura e a Biologia Aquática
Embora não seja um parâmetro de potabilidade primário, a temperatura influencia diretamente as reações químicas e biológicas na água. Temperaturas elevadas reduzem a solubilidade do oxigênio e aceleram o crescimento de algas e bactérias patogênicas. Seu monitoramento auxilia na interpretação dos resultados de pH e turbidez, além de ser um fator determinante para a saúde da vida aquática em rios e lagos.
2.2. Instrumentação e Condicionamento de Sinais
A busca por soluções viáveis em países em desenvolvimento impulsionou o uso de sistemas de monitoramento de baixo custo baseados em sensores (Rojas et al., 2019). No HydroSafe, a instrumentação eletrônica abrange a seleção dos sensores, o condicionamento de sinais e a aquisição de dados.
2.2.1. Princípios Sensores e Requisitos de Acurácia
O sensor de pH opera com o princípio do eletrodo de vidro, gerando um potencial elétrico proporcional à concentração de íons, sensor de turbidez utiliza o princípio da nefelometria (medição da luz dispersada). Para projetos de baixo custo, a acurácia é sacrificada em favor do preço, sendo fundamental que o erro residual seja consistente e passível de compensação por meio de software. Os modelos de baixo custo utilizados são adequados para medições indicativas em tempo real, desde que passem por um rigoroso processo de calibração.
2.2.2. Condicionamento de Sinais e a Interligação com o Arduino Uno
O sinal de saída dos sensores analógicos é, em geral, de baixa amplitude (em milivolts) ou com alta impedância, o que o torna suscetível a ruído. O microcontrolador Arduino Uno possui um Conversor Analógico-Digital (ADC) de 10 bits com uma resolução que depende da tensão de referência (5V, no caso típico), fornecendo 1024 níveis de leitura (2¹⁰).
O condicionamento de sinais é o circuito de interface essencial que realiza: a) Amplificação do sinal; b) Filtragem para remoção de ruídos; e c) Ajuste de Offset e Gain. Para o sensor de pH, a utilização de um módulo pré- condicionado (como o módulo com CI, Módulo BNC-PH com Circuito Analógico PH4502C) é comum, pois ele já lineariza o sinal para a faixa de 0V a 5V compatível com o Arduino Uno. Este processo garante que o sinal de saída do sensor utilize toda a resolução do ADC do Arduino, minimizando o erro de quantização.
2.3. Evolução de Sistemas Embarcados: Do Arduino ao IoT (ESP32)
O Arduino Uno foi escolhido como plataforma inicial por sua robustez, simplicidade de programação, vasta comunidade de suporte e baixo custo, sendo ideal para a prova de conceito e validação dos sensores.
Contudo, para um sistema de monitoramento em comunidades remotas, a conectividade é indispensável. É aqui que o Internet das Coisas (IoT) e a plataforma ESP32 se apresentam como a evolução natural do HydroSafe. O ESP32, além de ser um microcontrolador mais potente que o Arduino Uno, possui conectividade Wi-Fi e Bluetooth nativas, essenciais para a transmissão de dados para servidores em nuvem (como ThingSpeak ou Firebase) e o acesso remoto. A migração futura permitirá:
1. Armazenamento em Nuvem: Criação de séries históricas de dados para análises ambientais de longo prazo.
2. Alertas Remotos: Envio de notificações automáticas para dispositivos móveis ou dashboards em caso de medições fora do padrão (pH < 6,0 ou Turbidez alta).
3. Redução de Consumo: O ESP32 pode ser otimizado para aplicações de baixo consumo, o que é vital para um sistema alimentado por bateria ou painel solar em locais remotos.
3. METODOLOGIA
A pesquisa foi desenvolvida em caráter experimental e aplicada, com o objetivo de construir e validar o protótipo HydroSafe. A metodologia foi organizada em cinco etapas detalhadas, visando a replicabilidade do sistema.
3.1. Seleção e Arquitetura do Sistema
3.1.1 Componentes e Estrutura Inicial (Arduino Uno)
A plataforma de controle é o Arduino Uno R3, conectado a: sensores de pH, turbidez e temperatura (DS18B20 – digital). O custo total dos componentes para o protótipo inicial é estimado em 172,50 (cento e setenta e dois reais e cinquenta centavos), o que o classifica como uma solução significativamente mais barata que equipamentos profissionais de campo.
3.1.2. Condicionamento de Sinais
O circuito de condicionamento para os sensores analógicos (pH e turbidez) foi montado em protoboard, utilizando módulos de interface que já incorporam um amplificador operacional dedicado (Ex: [INSERIR NOME DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL/MÓDULO AQUI, Ex: Módulo SEN0161 de PH e um circuito de buffer com TL082 para turbidez]). O sensor de temperatura DS18B20, por ser digital, elimina a necessidade de condicionamento analógico e utiliza o protocolo OneWire para comunicação direta com o Arduino Uno.
3.2. Desenvolvimento de Software e Simulação
O firmware foi desenvolvido na linguagem C/C++ utilizando a Arduino IDE.
3.2.1. Simulação e Otimização
A etapa de simulação lógica e de debugging foi realizada no ambiente Wokwi antes da gravação final do código no Arduino Uno. Essa etapa de teste em ambiente virtual, focada na lógica de calibração e no tratamento de erros, resultou em uma otimização do código que reduziu o tempo de ciclo de leitura e processamento em 9%. Esta redução é crucial para economizar energia e aumentar a frequência de amostragem em futuras implantações.
A calibração dos sensores foi realizada em laboratório seguindo o padrão de múltiplos pontos. O sensor de pH foi calibrado utilizando soluções buffer de pH 4,01, 7,00 e 10,00 para estabelecer a reta de calibração do eletrodo. O sensor de turbidez foi calibrado com padrões de Formazina (NTU), com o ponto zero (água destilada) e um ponto de referência alto (Ex: 100 NTU).
3.2.2 Fluxograma do Firmware
O fluxograma principal (Figura 3.1) detalha o processo de aquisição e processamento de dados. Para mitigar o ruído inerente aos sensores de baixo custo, o código implementou uma média móvel de 10 leituras por ciclo, antes da conversão e transmissão.
3.3. Protótipo Físico, Calibração e Teste de Campo
O protótipo físico foi montado e submetido a um rigoroso processo de calibração seguido de testes de campo em ambiente natural.
3.3.1. Construção e Calibração
O sistema foi encapsulado em um case de acrílico transparente, vedado com silicone para garantir proteção contra respingos e umidade. O acrílico foi escolhido pela facilidade de usinagem e baixo custo.
A calibração dos sensores foi realizada em laboratório seguindo o padrão de múltiplos pontos. O sensor de pH foi calibrado utilizando soluções buffer de pH 4,01, 7,00 e 10,00 para estabelecer a reta de calibração do eletrodo. O sensor de turbidez foi calibrado com padrões de Formazina (NTU), com o ponto zero (água destilada) e um ponto de referência alto (Ex: 100 NTU).
3.3.2. Testes de Campo Controlados
O sistema foi testado em ambiente amazônico, no Lago do Conjunto Aquariquara, em Manaus, Amazonas. O teste consistiu na imersão do HydroSafe lado a lado com um equipamento de referência de laboratório. O equipamento padrão de comparação utilizado foi o pHmetro de Bolso Digital Hanna Instruments – HI98107 e o Turbidímetro portátil básico Policontrol – AL-250T, escolhidos por representarem as soluções mais acessíveis e comuns utilizadas em fiscalização de campo.
4. Resultados e Discussões
Os resultados obtidos demonstraram que o sistema HydroSafe foi capaz de coletar dados de pH, turbidez e temperatura em tempo real, atingindo a precisão requerida para um sistema de alerta e monitoramento indicativo em campo.
4.1. Desempenho na Simulação e Otimização do Código
A simulação lógica prévia (Seção 3.2.2) permitiu um ajuste na rotina de coleta e tratamento de dados, resultando em uma otimização de 9% no tempo de ciclo. Este ganho de eficiência tem impacto direto na capacidade do sistema de operar com baterias por períodos mais longos. A otimização se concentrou na melhor gestão da memória do Arduino Uno, garantindo estabilidade e prevenindo crashes durante a execução.
4.2. Análise dos Resultados do Protótipo Físico em Campo
A validação do protótipo no Lago do Conjunto Aquariquara, Manaus, confirmou a acurácia do HydroSafe em relação ao equipamento padrão de referência.
4.2.1. Comparativo de Acurácia (HydroSafe vs. Referência)
A Tabela 4.1 apresenta a comparação entre as leituras médias do HydroSafe e do equipamento padrão em três amostras distintas coletadas no lago, refletindo as variações encontradas em um corpo d’água não tratado.
Tabela 4.1. Comparativo de Leituras do HydroSafe e Equipamento Padrão (Lago Aquariquara, Manaus)
Fonte: Elaborado pelos autores.
O erro percentual médio para os parâmetros testados foi de 3,9%, o que é considerado totalmente aceitável para um sistema de baixo custo destinado ao monitoramento indicativo em campo. O desvio maior foi observado na medição de Turbidez, característica comum em sensores ópticos de baixo custo.
4.2.2. Discussão da Performance e Limitações
A performance do sensor de turbidez mostrou-se o principal limitador em termos de acurácia. A leitura de turbidez demonstrou uma boa linearidade até aproximadamente 80 NTU. Acima desse valor, que é crítico para água não tratada, o desvio tende a aumentar significativamente. No entanto, para fins de alerta em saúde pública, a detecção de valores acima de 5 NTU já é suficiente para indicar que a água não é potável e exige tratamento.
O uso do Arduino Uno, embora funcional para a prova de conceito, limita a capacidade de transmissão de dados em tempo real. Os dados coletados foram armazenados localmente e posteriormente transferidos (leitura offline). Isso reforça a necessidade de migração para o ESP32 para viabilizar a arquitetura IoT completa.
4.3. Viabilidade Econômica e Social
Comparado a soluções comerciais robustas, que custam milhares de reais, o HydroSafe destacou-se pelo custo reduzido (R$ 172,50 cento e setenta e dois reais e cinquenta centavos), comprovando a viabilidade e econômica do projeto. Esta acessibilidade é o ponto chave para a replicabilidade do sistema em comunidades ribeirinhas, onde o orçamento para infraestrutura é extremamente limitado.
O case de acrílico garantiu proteção mínima e baixo custo de produção, mas em trabalhos futuros deve-se evoluir para um encapsulamento mais robusto (Ex: Policarbonato ou PVC) com classificação IP67, para maior durabilidade em ambientes com alta umidade e risco de submersão prolongada.
5. Conclusão
O sistema HydroSafe demonstrou ser uma alternativa de baixo custo, eficaz e de fácil replicação para o monitoramento da qualidade da água em comunidades vulneráveis. A integração de sensores de pH, turbidez e temperatura a uma plataforma de Arduino Uno possibilitou a coleta de dados com um erro percentual médio aceitável de 3,9% em testes de campo controlados no ambiente natural amazônico (Lago Aquariquara, Manaus).
Os objetivos da pesquisa foram plenamente atendidos. Evidenciou-se a aplicabilidade prática da instrumentação eletrônica e a eficácia das ferramentas de simulação (Wokwi e Tinkercad) para otimizar o código em 9% antes da prototipagem. A pesquisa reforça a importância de soluções acessíveis e sustentáveis para regiões que historicamente sofrem com a ausência de infraestrutura básica, como as comunidades ribeirinhas na Amazônia.
O HydroSafe se insere no contexto de iniciativas que buscam democratizar o acesso ao monitoramento ambiental, favorecendo a autonomia das comunidades locais na gestão de seus recursos hídricos.
5.1. Limitações e Trabalhos Futuros
Apesar do sucesso na validação da prova de conceito, a versão inicial do HydroSafe com Arduino Uno apresenta limitações:
- Conectividade: A ausência de transmissão de dados sem fio exige a leitura in loco (modelo offline).
- Robustez: O case de acrílico, apesar de funcional, precisa ser substituído por materiais mais resistentes para garantir durabilidade em ambientes agressivos.
Nesse sentido, as recomendações para a continuidade da pesquisa são:
- Migração para o ESP32: Implementação do módulo de conectividade para integrar o sistema a protocolos de Internet das Coisas (IoT), permitindo a transmissão de dados para a nuvem em tempo real.
- Análise Preditiva: Inclusão de técnicas de inteligência artificial ou Machine Learning para analisar a série histórica de dados e identificar padrões de contaminação, emitindo alertas proativos.
- Expansão de Parâmetros: Incorporação de outros sensores vitais (Ex: Oxigênio Dissolvido e Condutividade) para uma análise mais completa da segurança hídrica.
De forma geral, este trabalho evidencia o potencial da Engenharia Elétrica em contribuir para a promoção da saúde, a sustentabilidade e a qualidade de vida em comunidades vulneráveis.
Referências
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