Arquitetura de Eletrônica

Descrição de Hardware

ESP32

A ESP32 é um microcontrolador da Espressif, muito utilizado em projetos de IoT (Internet of Things) e automação devido à sua alta capacidade de processamento e conectividade integrada. Ela possui um processador Dual Core Tensilica Xtensa LX6 que opera até 240 MHz, o que permite realizar tarefas complexas de forma eficiente. Conta com 520 KB de SRAM e entre 4 a 16 MB de memória Flash para armazenamento do firmware e dados.

Com conectividade Wi-Fi e Bluetooth, a ESP32 pode se conectar a redes sem fio e dispositivos móveis com facilidade. Seus 34 GPIOs oferecem suporte para várias funções, como PWM para controle de motores, ADC e DAC para manipulação de sinais analógicos, e comunicação via I2C, SPI e UART. Ela também oferece modos de economia de energia, que são ideais para dispositivos alimentados por bateria.

Especificações

Parâmetro	Descrição
Modelo	DevKitC-1 ESP32-C6 N8
Processador em Alto desempenho (HP)	até 160MHz
Processador em Baixo consumo (LP)	até 20 MHz
Memoria ROM	320 KB
Memória em alto desempenho (HP) SRAM	512 KB
Memória Flash	8 MB
Tensão de Alimentação	3 – 12V (Pino Vin)
Tensão de nível lógico	3,3VDC (não tolera 5V)
Corrente de consumo	40mA (típica)
Corrente de consumo	1000mA (máxima)
Conexão WiFi	802.15.4 2.4 GHz
Bluetooth	5.3 LE (Bluetooth Low Energy)

Justificativa

O microcontrolador ESP32 foi escolhido devido ao fato deste ser extremamente versátil e econômico, suprindo com facilidade os requisitos do projeto. Possuindo em suas funcionalidades pinos digitais, analógicos e conversores AD, este dispositivo permite que sejam utilizados vários sensores diferentes ao mesmo tempo, sendo ideal para o funcionamento do projeto.

Sensor de pH BNC PH4502C

O Sensor de pH BNC PH4502C é uma placa eletrônica capaz de amplificar os sinais do sensor de pH e fazer a integração com o microcontrolador utilizado, por exemplo, o Arduino ou ESP32.

Esse modelo possui dois trimpots integrados na placa, sendo um deles para ajuste da saída digital conforme o limite de pH desejado, e o outro trimpot serve para fazer a calibração do pH, de forma a melhor executar a função durante a aplicação em seu projeto.O Módulo Sensor de pH BNC PH4502C possui conexão do tipo BNC com a sonda detectora de pH, permitindo interpretar os dados gerados de forma confiável e segura. Vale destacar ainda a presença dos pinos de saída “To (Saída de temperatura) / Do (Gatilho de limite de pH de 3.3V) / Po (Saída analógica de PH) / G (Gnd para sonda PH) / G (Gnd para placa) / V+ (5V DC )” para conexão com microcontrolador.

Especificações

Parâmetro	Descrição
Modelo	PH-4502C
Aquecimento Tensão	5±0.2 V (AC • DC)
Corrente de Trabalho	5-10 mA
Intervalo de concentração de detecção	PH 0-14
Intervalo de detecção de temperatura	0-80°C
Tempo de Resposta	5 segundos
Tempo de Estabilidade	60 segundos
Consumo de energia	0,5 W
Temperatura de trabalho	-10 ~ 50 °C
Umidade de trabalho	95% RH
Umidade nominal de trabalho	65% RH
Dimensões (CxLxE)	~61x32x16 mm
Peso	23g

Justificativa

Este sensor será lido pelo microcontrolador. Possui dois trimpots sendo um deles para ajuste da saída digital conforme o limite de pH desejado, e o outro para fazer a calibração do pH. Possui conexão do tipo BNC com a sonda detectora de pH, permitindo interpretar os dados gerados de forma confiável e segura.

Sensor de nível de água com boia horizontal

O Sensor de Nível de Água é um produto eletrônico de utilização universal que pode ser usado para os mais diversos fins de prototipagem. Na prática, sua utilização dá-se para detectar o nível de líquido em um determinando reservatório, podendo, por exemplo, em conjunto com o microcontrolador, acionar bombas d'água para preencher o volume do tanque ou simplesmente acionar dispositivos sinalizadores para aviso.

Ele funciona como uma chave magnética, entrando em curto quando a boia horizontal é elevada, consequentemente fazendo com que o microcontrolador execute a função para o qual está programado. Por ser muito prático, pode ser utilizado ainda para monitorar níveis de aquários, canais de água onde circulam soluções nutritivas em áreas que trabalham com hidroponia, tanques com peixes, entre outros.

O sensor de nível de água, um sensor de nível on-off, é compatível com Arduino, PIC, ARM, AVR, etc; possui rosca e porca para fixação, fácil instalação, por meio do microcontrolador pode ligar ou desligar bombas d’ água, de modo a economizar energia e aumentar a vida útil do motor. Entretanto, ele só pode ser usado quando o nível de água estiver horizontal e paralelo à superfície em que o recipiente está apoiado.

Especificações

Parâmetro	Descrição
Tensão de chaveamento (máx.)	100V DC
Corrente de chaveamento (máx.)	0,5A
Tensão de contato aberto (máx.)	100V DC
Resistência contato (máx.)	100M Ohms
Temperatura de operação	-10~+85 °C
Extensão do fio	35cm
Diâmetro	17mm
Diâmetro da rosca	11,3mm
Comprimento total	82mm
Peso com embalagem	18g

Justificativa

Este sensor será lido pelo microcontrolador. Ele será responsável por monitorar a quantidade do líquido filtrado no tanque, sinalizando ao microcontrolador que o reservatório está cheio.

Sensor de Temperatura DS18B20

O Sensor de Temperatura DS18B20 é um componente eletrônico digital desenvolvido para ser aplicado nos mais diversos ambientes, pois é capaz de medir a temperatura em locais úmidos, inclusive estando submerso na água. Para que ele entre em funcionamento é necessário estar conectado junto a uma plataforma de prototipagem. Por ser à prova d’água permite as mais diversas aplicações, e em razão de poder ser submerso na água, o sensor de temperatura é produzido em aço inox e o cabo é revestido em material isolante, para que não sofra nenhum dano decorrente da umidade.

Um diferencial do sensor DS18B20 é a sua capacidade de possibilitar leituras com resolução entre 9 a 12-bit, a qual é configurável. Além de possuir uma inteface de comunicação simples por meio de um fio único, função conhecida como 1-Wire, que permite ligar vários sensores de temperatura em uma única saída digital. Só é possível executar a função 1-Wire em razão de cada sensor possui um número serial único de 64-bit, e isso permite controlar um grande ambiente, como o interior de um prédio, por exemplo, uma sala de máquinas ou ainda a temperatura da água em diversos reservatórios, entre outros.

Faixa de leitura de -55°C a +125°C com precisão:\ ±0.5°C - 9 bits - tempo de leitura 93,75ms.

Faixa de leitura de -10°C a +85°C com precisão ajustável:\ ±0,5°C - 9 bits - tempo de leitura 93,75ms;\ ±0,25°C - 10bits - tempo de leitura 187ms;\ ±0,125°C - 11 bits - tempo de leitura 375ms;\ ±0,0625°C - 12 bits (Padrão) - tempo de leitura 750ms.

Importante mencionar que apesar de medir até 125ºC, a temperatura máxima recomendada é de 100ºC, já que o cabo do sensor é revestido em PVC.

Especificações

Parâmetro	Descrição
Modelo	DS18B20
Tensão de alimentação	3.0-5.5V DC
Leitura de temperatura	-55°C a +125°C
Fios	Vermelho (VCC), Branco ou Azul ou Amarelo (DATA) e Pretro (GND)
Tempo de atualização	<750ms
Margem de erro	±0.5°C
Resolução	9 ou 12 bits
Interface	1 fio (1 wire)
ID único	64 bits
Diâmetro	6mm
Comprimento do fio	90cm
Peso	21g

Justificativa

Este sensor será lido pelo microcontrolador. É capaz de medir a temperatura em locais úmidos, inclusive estando submerso na água. Ele será responsável por monitorar a temperatura da água no tanque, a fim de evitar a proliferação de algas e fungos na água.

Sensor de Fluxo de Água YF-S201

O Sensor de Fluxo de Água 1/2 YF-S201 é um produto altamente tecnológico, desenvolvido para atuar em conjunto com diversas plataformas de prototipagem.

A aplicação é para medir a quantidade de água, em litros, que passa por ele. A partir destas informações é possível tomar diversas providências de acordo com a vontade do programador. O Sensor de Fluxo de Água 1/2 YF-S201, na prática, é utilizado em projetos domésticos ( automação residencial ), onde serve para medir o consumo diário, semanal ou mensal de água de uma residência, ou ainda, monitorar a movimentação de água em uma caixa d’ água, por exemplo, fazendo com o microcontrolador desligue a bomba quando passar determinada quantia.

Muito eficiente, consegue medir a vazão de água de 1 a 30 litros por minuto, enviando pulsos ao microcontrolador com as informações captadas. Para instalação, possui em suas extremidades roscas para facilitar a conexão com luvas hidráulicas.

Especificações

Parâmetro	Descrição
Modelo	YF-S201
Tensão de funcionamento	4.5V~18V DC
Tensão de trabalho	4.5V DC
Corrente máxima de trabalho	15mA (5V DC)
Vazão de Água	1~30L/min
Capacidade de carga	≤ 10mA (5V DC)
Temperatura de operação	≤ 80°C
Temperatura do líquido	≤ 120°C
Pressão da água	≤ 1.75MPa
Extensão do fio	16cm
Diâmetro do sensor	36mm
Diâmetro da entrada e da saída	20mm
Dimensões totais (CxLxA)	63x35x36mm
Peso	51g

Justificativa

Este sensor será lido pelo microcontrolador. Será utilizado para monitorar o fluxo de água de um recipiente para o outro. No momento em que o fluxo de água for menor que o mínimo desejado, o sistema irá desligar a bomba através do módulo relé.

Módulo GSM GPRS SIM800L

Provavelmente o módulo celular mais usado para projetos maker, o SIM800L possui conectividade GPRS (2G), uma das redes com maior abrangência no Brasil. Para usá-lom necessita-se de um SIM Card (chip) de uma operadora celular. Além dos pinos é necessário soldar a antena para que a placa funcione (pinos e antena inclusos no produto). É ótimo para envio de pacotes de dados para interfaces de internet das coisas (IoT) e servidores.

Especificações

Parâmetro	Descrição
Tipo de Rede Celular	2G (GPRS)
Frequência de funcionamento	Quad-band 850/900/1800/1900MHz
Interface de comunicação	via comandos AT
Possibilidade do uso de antena externa	Via conector IPEX
Tensão de operação	3.7V a 4.2V
Dimensões do módulo	2.5x2.3x0.7 cm
Peso	5.3g

Justificativa

O módulo GSM será responsável por enviar os dados guardados pela memória da ESP32 para o broker via MQTT utilizando a comunicação GSM.

Módulo Sensor de Tensão

O Módulo Sensor de Tensão é um componente eletrônico compacto e de fácil utilização, desenvolvido para medir tensões em diversos circuitos elétricos. Compatível com plataformas como Arduino, AVR, PIC, Raspberry PI, entre outras, ele permite a medição de tensões de até 25V, com uma proporção de redução de fator 5. Para microcontroladores de 3,3V, como o ESP32, ele pode medir tensões até 16,5V.

Especificações:

Parâmetro	Descrição
Tensão de entrada	0 a 25V
Valor dos resistores	30K e 7,5K Ohms
Proporção de divisão	5:1
Tolerância do resistor	1%
Dimensões (CxLxA)	~28x14x12mm
Peso	2,8g

Justificativa

O uso do Módulo Sensor de Tensão é justificado pela sua capacidade de medir tensões de forma precisa e rápida, sendo ideal para projetos de prototipagem e análise de circuitos elétricos. Sua compatibilidade com diversas plataformas e a simplicidade de conexão tornam-no uma ferramenta essencial para desenvolvedores e engenheiros que necessitam monitorar e analisar tensões em seus projetos. Além disso, sua compactação e excelente relação custo-benefício fazem dele uma escolha prática e eficiente.

Regulador de Tensão Ajustável LM2596 DC Step Down

O Módulo Regulador de Tensão Ajustável LM2596 é um produto desenvolvido para aplicação em projetos eletrônicos onde são necessárias diferentes tensões e correntes para acionamento de componentes eletrônicos.

Composto pelo regulador chaveado LM2596, o Módulo trabalha com tensões de entrada de 3,2V a 40V, oferecendo em suas saídas tensões de 1,5V a 35V que podem ser ajustadas conforme sua necessidade. Ideal para regulagem de tensão de fontes variáveis como painéis solares ou fontes fixas para adequar aos padrões do projeto. Para o funcionamento correto do Módulo Regulador de Tensão, é necessário observar a diferença de tensão de entrada de 1,5V maior que a de saída.

Especificações

Parâmetro	Descrição
Tensão de entrada	3.2V a 40V
Tensão de saída ajustável	1.5V a 35V
Corrente máxima de saída	~2.5A
Corrente máxima sem dissipador	~1.2A
Eficiência de conversão	92%
Velocidade de comutação	até 150KHz
CIrcuito de proteção	SS36
Temperatura de operação	-40°C a 85°C
Regulação de carga	±0.5%
Dimensões(CxLxA)	44x22x12mm
Peso com embalagem	12g

Justificativa

Os componentes selecionados atuam com tensões entre 4V e 5V, fazendo necessário o uso do regulador de tensão. Foram escolhidos reguladores de tensão chaveados pois a corrente necessária é maior ou igual a 2A. Logo, reguladores de tensão chaveados são melhores nesse quesito. Nos LDOs as correntes nominais variam entre 800mA até 1.2A.

Módulo Relé 5V 10A 2 canais com Optoacopladores

Possui duas relés, o que permite sua aplicação em dois sistemas independentes, ou seja, pode ser utilizado para acionamento de dois motores, uma lâmpada e um motor, ou o que for mais conveniente. E sem precisar montar complicados circuitos para isso, já que essa placa tem praticamente tudo o que é necessário: diodo, transistor, relé e conectores. Seu diferencial é a presença de optoacopladores, componente capaz de isolar uma região da outra, funcionando como um sistema de segurança que em casos de descargas elétricas (raios) protege o sistema microcontrolador.

Especificações

Parâmetro	Descrição
Modelo	HL-52S
Carga Nominal	10A 250V AC/ 10A 125V AC/ 10A 30V DC/ 10A 28V DC
Tensão de operação	5V DC (VCC e GND)
Tensão de Sinal	TTL 5V DC (IN1 e IN2)
Dimensões totais (CxLxA)	5x3.9x1.7 cm
Peso	28g

Justificativa

Por conta da tensão da bomba, os GPIOs da ESP não conseguem ligar/desligar a bomba. Portanto é necessário um relé NA para fazer esse controle, pois o relé consegue operar em uma tensão maior. Por isso a ESP vai enviar um sinal HIGH ou LOW para o módulo, desta forma, abrindo ou fechando-o.

Diagrama de Blocos

A figura a seguir apresenta o diagrama de blocos desenvolvido pela subequipe de eletrônica do sistema do dessalinizador de água, conectando cada um dos subsistemas previamente definidos.

Figura 10: Diagrama blocos eletrônica v3

Sensores

Este bloco é responsável por coletar informações essenciais para o funcionamento e controle do sistema. Os sensores conectados são:

Sensor de temperatura: Monitora a temperatura da água para garantir condições adequadas para a osmose reversa, já que temperaturas muito altas ou baixas podem afetar a eficiência do processo.
Sensor de nível: Mede o nível de água no reservatório, garantindo que o sistema não filtre mais água do que a capacidade máxima permitida e permite com que o usuário tenha informações de volume.
Sensor de vazão: Mede o fluxo de água filtrada, permitindo monitorar a quantidade de água processada ou identificar possíveis obstruções no sistema.
Sensor de pH: Avalia a acidez ou alcalinidade da água, garantindo que os parâmetros estejam dentro de um intervalo adequado, sendo um indicativo da dessalinização eficaz ou não, tendo em vista que água salobra/salgada possui um pH que varia entre 6,5 e 8,5, e a água doce um pH entre 7 e 8.
Sensor de tensão: Mede a tensão de saída da bateria, permitindo o monitoramento de carga e dascarga dela.

Os sensores enviam os dados diretamente para o bloco Embarcados via ADC e GPIO, que os processa.

Embarcados

O microcontrolador ESP32 é o núcleo de processamento do sistema e realiza as seguintes atividades:

Recebimento dos sinais dos sensores;
Processamento das informações para decidir ações de controle, como ligar/desligar a bomba d'água ou enviar alertas;
Comunicação com outros blocos, como o de Comunicação via UART, para transmitir as informações que serão dispostas numa plataforma de forma gráfica.

O ESP32 desempenha um papel fundamental na integração dos dados, controle de sistemas de potência e na automação do processo.

Circuitos de Potência

Este bloco gere a distribuição e o controle da energia elétrica proveniente das baterias após a produção da energia pelas placas fotovoltaicas. Ele é composto por:

Circuito de Monitoramento da Bateria: Monitora o estado de carga da bateria para evitar sobrecarga ou descarga excessiva.
Circuito de Controle da Bomba: Atua no acionamento da bomba de água, essencial para o processo de osmose reversa. Este circuito pode ser controlado pelo microcontrolador baseado nos dados dos sensores.
Circuito Regulador de Tensão: Converte e regula a tensão fornecida pela bateria para valores compatíveis com os outros componentes do sistema (4V ou 5V, conforme indicado no diagrama).

Este bloco garante que a energia fornecida ao sistema seja estável e confiável.

Comunicação

O Módulo GSM é responsável por transmitir informações do sistema para um dispositivo remoto, como um celular ou um servidor. Suas funções incluem:

Enviar informações sobre o estado do sistema em uma frequência pré-determinada pelo desenvolvedor.
Enviar notificações sobre o estado do sistema, como alertas de falhas ou dados de operação.

O módulo GSM é alimentado pelos circuitos de potência e é controlado pelo ESP32.

Interconexão

Linhas verdes: Representam a alimentação elétrica dos componentes.
Linhas azuis: Representam a transmissão de dados entre os sensores e o microcontrolador.
Linhas vermelhas: Representam a comunicação entre o microcontrolador e os blocos de potência e comunicação.

Fluxograma

Passo a Passo do Sistema

Inicialização do Sistema:
O sistema é iniciado.
Verifica-se se há tensão na bateria:
- Se sim, o sistema avança para o próximo passo.
- Se não, o sistema permanece desligado.
Acionamento da Bomba:
Se a tensão da bateria for suficiente, a bomba é acionada.
A bomba começa a realizar o processo de filtragem e osmose reversa da água.
Ativação dos Sensores:
Sensores de vazão, pH, temperatura e nível começam a realizar as medições:
- O sensor de vazão mede a quantidade de água filtrada.
- O sensor de pH mede o pH da água filtrada.
- O sensor de temperatura mede a temperatura da água.
- O sensor de nível monitora o nível de água no tanque.
Coleta e Armazenamento dos Dados:
Os dados dos sensores são coletados e armazenados na memória flash do microcontrolador.
Os dados são armazenados até que um pacote de dados seja completado.
Envio dos Dados para o Broker via MQTT:
Quando o pacote de dados estiver completo, os dados são enviados para o broker via MQTT, utilizando a comunicação GSM ou WiFi.
Continuação do Processo de Filtragem:
Durante todo o processo, a filtragem e osmose reversa continuam funcionando:
- A bomba continua operando, enquanto os sensores continuam medindo os parâmetros da água.
- O processo de filtragem é independente do envio de dados.
Monitoramento do Nível de Água:
O sensor de nível verifica constantemente o nível de água no tanque:
- Se o tanque atingir o nível alto (cheio), a bomba é desligada.
- Se o nível da água diminuir (baixo), a bomba será ligada novamente.
Monitoramento da Tensão da Bateria:
O sistema monitora a tensão da bateria:
- Se a tensão não for suficiente para o funcionamento, o sistema é desligado.

Como o Envio de Dados e a Filtragem Ocorrendo em Paralelo

Após a explicação do passo a passo, podemos entender que o processo de envio de dados e o de filtragem da água acontecem simultaneamente, ou seja, em paralelo.

1. Filtragem e Osmose Reversa:

A bomba continua operando durante todo o processo de filtragem, realizando a osmose reversa da água.
Sensores (vazão, pH, temperatura e nível) não param de medir as variáveis da água enquanto a bomba filtra.
Esses sensores continuam coletando dados constantemente sem interrupção do processo de filtragem.

2. Envio de Dados:

Enquanto os sensores estão coletando dados e a bomba continua filtrando a água, os dados dos sensores são armazenados na memória flash do microcontrolador.
Assim que o pacote de dados se completa, ele é enviado para o broker via MQTT utilizando a comunicação GSM ou WiFi.
O envio de dados para o broker não interrompe o funcionamento da bomba nem o processo de filtragem. O envio ocorre de forma assíncrona e independente.

Como Isso Funciona em Paralelo:

O processo de filtragem (com a bomba e os sensores) e o envio dos dados são independentes um do outro.
Filtragem: A bomba está sempre em operação, realizando a filtragem e garantindo o fornecimento contínuo de água tratada.
Envio de dados: Os dados são enviados em pacotes de forma assíncrona, ou seja, um pacote de dados é enviado quando estiver completo, sem a necessidade de interromper o processo de filtragem.
Esses dois processos são gerenciados simultaneamente pelo microcontrolador, que realiza ambas as tarefas de forma paralela.

BOM (Bill of Materials)

A BOM (Bill of Materials), ou Lista de Materiais, é um documento essencial no desenvolvimento de projetos eletrônicos e de engenharia. Ela descreve todos os componentes necessários para a fabricação ou montagem de um produto, incluindo peças eletrônicas, materiais de suporte e acessórios. Cada item na BOM geralmente inclui informações como nome do componente, tipo ou especificação técnica (como encapsulamento), quantidade necessária, e designadores associados ao esquema ou layout do circuito. Segue abaixo a BOM.

Componente	Encapsulamento	Quantidade	Designador
Módulo de Leitura do Sensor de PH BNC PH4502C Com Sonda	-	1	-
Sensor de Nível de Água com Boia Horizontal 11mm	-	1	-
Sensor de Temperatura DS 18B20 à Prova D'Água	À prova d'água	1	-
Sensor de Fluxo de Água YF-S201 G1/2 1-30 l/min		1	-
LM2596 DC Step Down	DIP/SMD	2	Regulador de Tensão
Módulo GSM GPRS SIM800L	Módulo	1	-
ESP32-C6	Módulo	1	U3
Módulo Relé 2 Canais	Módulo	1	-
Resistor 10k Ohms 1/4W	PTH	1	R3
Resistor 4.7k Ohms 1/4W	PTH	1	R8
Chave Gangorra Liga Desliga 10A	-	1	U4
Conector Borne KRE 12mm 2 Vias Azul	PTH	2	P5,P6
Conector Borne KRE 12mm 3 Vias Azul	PTH	3	P1,P2,P7

Histórico de Versão

Data	Versão	Descrição	Autores	Revisores
27/11/2024	1.0	Criação do documento	Flávia Nagata	-
28/11/2024	1.1	Adição das justificativas	Marcus Guimarães	Flávia Nagata
29/11/2024	1.2	Revisão de formatação	Bruno Araújo	-
30/11/2024	1.3	Adição da BOM	Matheus Alves	Flávia Nagata
01/12/2024	1.4	Modificação das fontes das imagens	João Pedro Bandeira	-
16/01/2025	1.5	Inclusão sensor de tensão	Matheus Alves	Flávia Nagata
17/01/2025	2.0	Atualização do diagrama de blocos	Flávia Nagata	-
18/01/2025	2.1	Atualização da Descrição de Hardware	João Pedro Bandeira	-
18/01/2025	2.2	Edição na formatação	Flávia Nagata	-
03/02/2025	3.0	Atualização da BOM (Bill of Materials)	Marcus Augustus	-