PT107768A - Sistema sensorial para medição da qualidade do ar interior autónomo e com acesso remoto - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO A UM SISTEMA ELETRÓNICO DE MONITORIZAÇÃO DA QUALIDADE DO AR INTERIOR (QAI), QUE PERMITE MEDIR OS PRINCIPAIS POLUENTES GASOSOS PRESENTES DENTRO DAS VÁRIAS DIVISÕES E PISOS DE UM EDIFÍCIO, ATRAVÉS DE ESTAÇÕES DE MEDIÇÃO DISPERSAS PELAS DITAS ÁREAS. ESTAS ESTAÇÕES ENVIAM A INFORMAÇÃO PARA UM SERVIDOR, LOCAL OU REMOTO, QUE REÚNE A INFORMAÇÃO DOS DEMAIS SENSORES, PERMITINDO ASSIM QUE NUM ÚNICO LOCAL, A QUALQUER INSTANTE, SE POSSA SABER A QUALIDADE DO AR INTERIOR DO EDIFÍCIO, BEM COMO A SUA EVOLUÇÃO AO LONGO DO TEMPO. ESTAS ESTAÇÕES PODEM ENVIAR A INFORMAÇÃO PARA O UTILIZADOR REMOTAMENTE ATRAVÉS DE UM MÓDULO GSM/GPRS. O ACESSO REMOTO AO DISPOSITIVO PODE SER REALIZADO ATRAVÉS DA REDE INTERNET COM OPÇÃO DE ACESSO ATRAVÉS DA REDE MÓVEL DE TELECOMUNICAÇÕES, COMO POR EXEMPLO, GSM/GPRS OU ATRAVÉS DE MENSAGENS SMS. ESTE DISPOSITIVO É CONSTITUÍDO POR UM SERVIDOR DE WEB/INTERNET INSTALADO NA UNIDADE DE PROCESSAMENTO, QUE DISPONIBILIZA A INFORMAÇÃO RELATIVA AOS SENSORES NO EDIFÍCIO, MÓDULO DE COMUNICAÇÃO GSM/GPRS E MÓDULO DE ATUAÇÃO QUE PERMITE LIGAR OU DESLIGAR O SISTEMA DE AQUECIMENTO, VENTILAÇÃO E AR CONDICIONADO (AVAC), ALARMES OU OUTROS SISTEMAS PARA SINALIZAR OU ATUAR SOBRE A QUALIDADE DO AR.

Description

DESCRIÇÃO "Sistema sensorial para medição da qualidade do ar interior autónomo e com acesso remoto"

Domínio técnico da invenção 0 âmbito da presente invenção tem foco na monitorização da qualidade do ar interior, relaciona-se com um dispositivo portátil sem fios para monitorização da qualidade do ar interior, que se destina a ser incorporado em serviços ou aplicações que necessitem de monitorizar ou atuar à distância, e que estejam cobertos por uma rede de comunicação móvel como, por exemplo, GSM/GPRS. Insere-se portanto na área das tecnologias de monitorização ambiental, com aplicações na monitorização e atuação na qualidade do ar interior à distância.

Estado da técnica A qualidade do ar interior (QAI) é um tema que só tomou particular importância no final do século XX, quando se percebeu claramente que a presença prolongada de pessoas dentro de edifícios promove a exposição das mesmas a vários poluentes que podem trazer consequências para a sua saúde.

No passado pensava-se que a qualidade do ar interior estava apenas relacionada com a produção de C02, originada pelos ocupantes do edifício e, como tal, a taxa de renovação de ar utilizada era baseada apenas nesse poluente. No entanto, existem outros poluentes que afetam a QAI, os quais são originados sobretudo pelos materiais de construção e decoração com base sintética empregues nos edifícios, equipamentos existentes no interior dos mesmos, sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (AVAC), as atividades exercidas dentro do edifício e até mesmo a qualidade do ar exterior. Uma má QAI não só produz consequências para a saúde, mas afeta também a produtividade das pessoas. Tendo em conta que a maior parte do tempo de uma pessoa é passado dentro de edifícios, é importante manter um nível de conforto aceitável para elevar a sua produtividade. Este conforto não passa apenas pela QAI, mas também pelo conforto térmico, nível de iluminação adequado e baixo ruído. Assim sendo, a monitorização e controlo da qualidade do ar interior é impreterivelmente um problema de saúde pública e, como tal, deve ser solucionado em benefício das pessoas.

Por outro lado, existem poucos materiais de construção que estejam isentos da emissão de poluentes, como os vidros e os metais. As emissões de poluentes provenientes dos materiais de construção variam com o tempo e esta variação é designada de taxa de declínio. Enquanto, por exemplo, as tintas possuem uma elevada taxa de declínio, já as madeiras e o betão podem permanecer contaminados por vários anos. 0 controlo da Qualidade do Ar Interior é feito tendo em conta as concentrações máximas admissíveis para os demais poluentes - Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização dos Edifícios (RSECE), sendo calculada em função destas, a quantidade de ar novo necessário para diluir os referidos poluentes. Os sintomas relacionados com o Síndroma do Edifício Doente podem surgir de forma isolada ou conjunta. Nestes casos torna-se muito mais difícil distinguir se os sintomas sentidos pelos ocupantes do edifício estão relacionados com a QAI, ou se são doenças comuns tais como constipações, doenças respiratórias, ou outras. Existem cinco sintomas que poderão estar diretamente relacionados com um edifício doente a saber: Cefaleia, fadiga e mal-estar; Irritação na garganta e sistema respiratório; Irritação ocular; Problemas cutâneos; Congestão nasal.

Temos como poluentes presentes no ar interno: Amianto; Monóxido de carbono; Dióxido de carbono; Formaldeído; Dióxido de azoto; Pesticidas; Partículas suspensas no ar; Compostos orgânicos voláteis. Contudo, não são apenas os poluentes acima referidos que produzem uma QAI baixa. Para que o ar interior seja confortável para o ser humano, é necessário controlar também outros parâmetros tais como a temperatura, humidade e a velocidade do ar. Se por exemplo a temperatura e a humidade ultrapassarem os limites aceitáveis, poderão prejudicar a saúde das pessoas expostas a este ambiente e, ao mesmo tempo, propiciar o desenvolvimento de contaminantes que afetam ainda mais a QAI. A seleção de sensores para efetuar as medições relativas aos gases existentes no ar não é tarefa fácil. A oferta do mercado de sensores neste campo não é tão vasta como por exemplo a de sensores para medição de temperatura. Por outro lado, o custo de cada sensor é muito mais elevado, requer acondicionamento de sinal cuidado e tem uma duração muito mais limitada. Existem vários tipos de sensores de gás. De entre os demais, os mais utilizados são os eletroquímicos, catalíticos, infravermelhos, foto ionização e estado sólido.

Atualmente nenhum sensor de gás é 100% seletivo para um único gás. Esta afirmação é muito importante porque na seleção dos sensores a utilizar devem-se escolher sensores cuja sensibilidade ao gás pretendido seja mais elevada que os restantes utilizados, no sentido de reduzir a interferência de um gás em vários sensores. O princípio de funcionamento de um sensor de gás baseia-se na deteção de moléculas de um ou vários gases e em função da concentração do mesmo, gerar um sinal elétrico com magnitude proporcional a essa concentração. A grandeza elétrica gerada poderá ser uma diferença de potencial, corrente elétrica, ou poderá também ser uma variação resistiva.

Em pesquisa ao estado da técnica da invenção, foram identificados os seguintes documentos de patente, dos quais destacamos a sua distinção com a presente invenção: (Dl) WO 0241095 A2 - Dl divulga descreve um sistema de monitorização da qualidade do ar, constituído por uma unidade de monitorização portátil com pelo menos um sensor de, por exemplo, dióxido de carbono, de humidade ou de partículas, que permite a medição da qualidade do ar, e uma interface de internet acessível através de uma ligação de rede sem fios. A referida unidade de monitorização é adaptada de modo a enviar a informação relativa aos dados medidos para a interface de internet, através da também já referida ligação de rede sem fios. Dl difere da presente invenção porque não prevê a mediação em simultâneo de vários componentes que podem estar presentes numa determinada atmosfera, nem o processamento e alojamento num servidor local, instalado no próprio equipamento, de modo que possam ser consultados diretamente sem necessidade de recorrer a um servidor externo à estação que procede ao seu alojamento e distribuição. A existência de um servidor de internet implementado na estação permite que dispositivos remotos, por exemplo Smartphones ou Tablets, acedam aos dados diretamente através de um endereço IP, utilizando uma rede sem fios, por exemplo GSM/GPRS, ou ainda a gestão do envio de mensagens de email ou SMS (Short Message Service); (D2) WO 0241095 Al - D2 divulga uma arquitetura para um sistema de medição da qualidade do ar interior, num edifício ou divisão, adaptável para o funcionamento em parceria com sistemas AVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado) de modo a garantir conforto ambiental na área da monitorização. Este sistema possuiu uma unidade sensorial que analisa periodicamente uma amostra de ar, avaliando as concentrações de um conjunto de substâncias listadas nos standards de qualidade de ar interior, propostos pelas organizações competentes. Os resultados são enviados para uma unidade central, encarregue de os analisar e reagir em conformidade com os mesmos, acionando o sistema AVAC se for caso disso. A figura 1 do referido documento, ilustra a arquitetura computacional associada a esta unidade, responsável pela gestão do sistema e pelo processamento dos dados. Esta poderá ser implementada por um computador ou microprocessador, podendo os mesmos ser visualizados localmente, com recurso a um monitor. Alternativamente os dados podem ser enviados para um computador remoto (computador pessoal ou servidor) através das interface de rede local ou longa distância (modem) , e serem visualizados com recurso a aplicações específicas alojadas em servidores. D2 difere da presente invenção porque nesta aplicação não existe necessidade do equipamento enviar os dados para um monitor ou para um servidor num computador remoto para serem visualizados. 0 servidor local, implementado na estação, permite que dispositivos remotos, por exemplo Smartphones ou Tablets, acedam aos dados diretamente através de um endereço IP, utilizando uma rede sem fios, por exemplo GSM/GPRS. Este dispositivo pode também, através de comandos enviados remotamente por um utilizador credenciado, acionar equipamentos para sinalizar ou atuar sobre a qualidade do ar; (D3) US 2004158359 Al - D3 divulga um sistema de monitorização da qualidade do ar interior, devendo ser colocado no fluxo de ar no interior de edifícios, montado no teto ou como unidade portátil. É constituído por um sensor de temperatura e um sensor de compostos orgânicos voláteis (COV). No caso do dispositivo portátil, este dispõe de sensor de CO, C02, COV, temperatura e humidade. O sistema pode guardar e/ou transmitir dados pela rede informática, com ou sem fios, para vários dispositivos de controlo, ou centros de controlo. D3 difere da presente invenção porque o sistema atual inventado utiliza maior quantidade de sensores para monitorização da qualidade do ar interior; tem como objetivo atuar diretamente no controlo de sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (heating, ventilation and air conditioning HVAC), ou centros de controlo. 0 sistema atual inventado além de poder informar no local, podem ser utilizadas várias unidades de medição espalhadas pelo edifício que podem enviar os dados do servidor implementado no processador ou enviar os dados para um servidor remoto, podendo o histórico ser acedido em qualquer local com ligação à Internet através de um browser, podendo a aplicação no servidor também enviar notificações de alarme ao utilizador através de email; A presente invenção apresenta como vantagens o facto de num único equipamento de dimensões extremamente reduzidas: • incorporar um servidor Web/ Internet. Sem o recurso a outros equipamentos (por exemplo, computadores ou servidores de Web/Internet) ou serviços externos, um utilizador autorizado pode obter informação através de mensagens de texto da rede de comunicações móvel (serviço SMS - Short Message Service) ou interagindo com uma página Web/Internet instalada no equipamento, ligando-se opcionalmente ao mesmo através da Internet. Podem ler-se diversos tipos de sinais, por exemplo sensores, atuar dispositivos, e permite gerar alarmes através de mensagens de um serviço SMS (Short Message Service). A utilização de um servidor externo alojado numa empresa normalmente implica custos adicionais ao utilizador; • efetuar a mediação em simultâneo de vários componentes que podem estar presentes numa determinada atmosfera, contrariando assim o panorama nacional e internacional, em que são utilizados vários equipamentos de dimensões significativamente maiores, que exigem custos de transporte e mão de obra muito superiores aos obtidos com este, para efetuar o mesmo tipo de medições, com a mesma fiabilidade; • medir em continuo e em simultâneo vários parâmetros associados à qualidade do ar, assim como a possibilidade de visualização conjunta do histórico obtido; • de facto atualmente existem equipamentos que medem individualmente parâmetros, em diferentes amostras de ar, a presente invenção mede na mesma amostra; • redução do n° de componentes eletrónicos necessários para a realização destas medições, o que baixa o custo do equipamento, e reduz a mão de obra necessária para que se consigam diversas medições associadas a esta monitorização da qualidade de ar interior; • permite a visualização, remota ou no local, de todas as medições efetuadas de forma periódica, em que o período é definido pelo utilizador.

Foram identificados os poluentes que deverão ser medidos pelo dispositivo de monitorização da qualidade do ar. Para além destes poluentes, existem mais variáveis que devem ser monitorizadas pelo sistema, nomeadamente a temperatura, a humidade relativa e pressão atmosférica. Assim sendo, a presente invenção monitoriza a temperatura e a pressão, como também a humidade relativa, a qual também é importante monitorizar porque este é um fator que contribui para calibração do valor fornecido pelos sensores.

Descrição da invenção A presente invenção foca-se na centralização da informação recolhida de vários sensores, para um processador que, por sua vez, poderá armazenar os dados recolhidos e/ou enviá-los através do servidor implementado no processador, ou ainda enviá-los para um servidor remoto. A presente invenção diz respeito a um dispositivo portátil sem fios, para monitorização da qualidade do ar interior, que se destina a ser incorporado em serviços ou aplicações que necessitem este tipo de monitorização à distância e estejam cobertos por uma rede de comunicações móvel como, por exemplo, sistema GSM/serviço GPRS (Global System for Mobile Communications/General Packet Radio Service) e é composto por:

A. PLACA PRINCIPAL

Placa que reúne os principais componentes que compõe o sistema, nomeadamente: 1. Processador - Efetua a gestão dos dados recebidos dos vários sensores, trata-os digitalmente e comunica-os aos módulos de interface; 2. Fonte de alimentação - Possui a eletrónica necessária para alimentar todos os módulos que compõem o sistema nas tensões indicadas; 3. Bloco de sensores comuns - É a zona da placa principal onde estão colocados os sensores de temperatura do ar, humidade relativa e pressão atmosférica, que não são amovíveis; 4. Módulo de RTCC (Calendário e relógio de tempo real -Real Time Clock Calendar) - Dispositivo interno ou externo ao processador que efetua a contagem do tempo e efetuar leituras programadas dos sensores. Caso seja estabelecida conectividade em rede informática com acesso a um servidor de tempo (Network Time Protocol (NTP)) o processador efetua o acerto automático do módulo RTCC, evitando o ajuste manual em caso de falha de energia elétrica. 5. Módulo de memória de armazenamento de dados Dispositivo interno ou externo ao processador que permite armazenar configurações e dados recolhidos dos sensores, como método alternativo ao envio de dados pela rede informática: a. gravação de dados de configuração na memória flash interna (não volátil) do processador. Deste modo, em caso de reinicialização (reset) ou falha temporária da fonte de alimentação, a configuração do dispositivo é mantida; b. gravação de dados recolhidos dos sensores juntamente com a indicação da data e hora de obtenção desses dados. 6. Encaixes modulares - Fichas de conexão que permitem encaixar módulos opcionais que não têm obrigatoriamente de pertencer à placa principal, tais como os módulos de sensores de gases e partículas, módulo de comunicação sem fios WiFi, módulo de comunicação GSM/GPRS, e módulo LCD de visualização;

B. BLOCO DE SENSORES

Este bloco representa um conjunto de sensores: CO2, CO, 03, HCHO, COV, partículas em suspensão, que estão distribuídos em placas amovíveis ou ligados diretamente através de conectores à placa principal;

Sensor de C02

Trata-se de um sensor baseado no princípio da não dispersão de infravermelhos (Non-Dispersive InfraRed - NDIR) para determinar a concentração de gás dióxido de carbono. 0 sensor consiste numa fonte de infravermelhos, cavidade ótica, detetor de duplo canal e termístor interno.

Neste caso foi utilizado um módulo já com o acondicionamento de sinal incluído, sendo ligado diretamente à unidade de processamento através do periférico de comunicação Transmissor / Recetor Síncrono e Assíncrono Universal (Universal Synchronous / Asynchronous Receiver / Transmitter - USART). 0 sistema desenvolvido pode utilizar qualquer outro sensor de dióxido de carbono, baseado em qualquer outra tecnologia, desde que: • a gama de funcionamento esteja dentro de um intervalo de valores que inclua os valores de concentrações máximas de poluentes estabelecidos pelo Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização dos Edifícios (RSECE); • a resolução e erro máximo esteja de acordo os valores estabelecidos pelo RSECE; • o respetivo circuito de acondicionamento de sinal inclua transmissão de dados através de uma USART.

Sensores de CO e 03

Os sensores de monóxido de carbono (CO) e Ozono (03) são do mesmo tipo, tratam-se de sensores eletroquímicos de três terminais, baseados em células de combustível. Os sensores eletroquímicos atuam reagindo ao gás monitorizado, produzindo uma corrente elétrica que é linearmente proporcional à concentração do gás. A utilização de três terminais no sensor permite atingir uma estabilidade superior em relação a um ao sensor eletroquímico de dois terminais. É necessário ter em conta a dependência dos valores de saída destes sensores com a temperatura dentro de um edifício. Podem ser utilizados quaisquer outros sensores monóxido de carbono e ozono, desde que: • a gama de funcionamento esteja dentro de um intervalo de valores que inclua os valores de concentração máxima de poluentes estabelecidos pelo RSECE; • a resolução e erro máximo esteja de acordo os valores estabelecidos pelo RSECE; • o respetivo circuito de acondicionamento de sinal forneça uma saída com um sinal entre 0 e 3.3V ao conversor analógico / Digital (ADC) do processador, de acordo com a concentração de gás. Será depois apenas necessário retificar o programa de processamento no processador de acordo com as caraterísticas de cada sensor.

Sensor de formaldeído

Do tipo eletroquímico de dois elétrodos baseado em tecnologia de células de combustível. É constituído por elétrodos de metais nobres num eletrólito e uma barreira de difusão através da qual o gás a ser analisado passa antes de entrar em contacto com os elétrodos. A barreira de difusão porosa atua como suporte para o elétrodo sensor, e serve também para manter seca a região do lado do ar do elétrodo sensor, prevenindo o contacto com qualquer liquido eletrólito. A reação do contacto do gás com o elétrodo causa um fluxo de corrente fornecendo a indicação do gás alvo. Na presença de gás de formaldeido é produzida uma pequena corrente DC, sendo necessário um circuito de acondicionamento para adaptar o resultado ao sistema pretendido. Este sensor é (significativamente) sensível a outros gases nas percentagens seguintes relativamente ao gás alvo: CO (1%), S02 (12%), H2 (0.1%), C12 (-3%), Fenol (7%), Etanol e Metanol (50%). No entanto, a nível de humidade, tem um intervalo de funcionamento entre 15% e 90% de humidade relativa.

Tal como nos casos anteriores, podem ser utilizados quaisquer outros sensores de formaldeido, desde que: • a gama de funcionamento esteja dentro de um intervalo de valores que inclua os valores de concentrações máximas de poluentes estabelecidos pelo RSECE; • a resolução e erro máximo esteja de acordo os valores estabelecidos pelo RSECE; • o respetivo circuito de acondicionamento de sinal forneça uma saída com um sinal entre 0 e 3.3V ao conversor analógico / Digital (ADC) do processador, de acordo com a concentração de gás. Será depois apenas necessário retificar o programa de processamento no processador de acordo com as caraterísticas do sensor.

C. MÓDULO GSM / GPRS O sistema permite aceder aos dados sensoriais do ar interior de um edifício remotamente, usando a rede de comunicações GSM/GPRS, sem a necessidade de dispor de uma aplicação de software dedicada. Este sistema é composto por um módulo de comunicação móvel, que estará localizado juntamente com a unidade de processamento numa secção do edifício a monitorizar. Este módulo incorpora um sistema de rádio ligado à rede de comunicações móvel como, por exemplo, GSM/GPRS, pelo que está acessível através desta rede e consequentemente pela Internet. Para que os dados adquiridos possam ser visualizados sem a necessidade de um software específico ou recorrer a um servidor externo, foi desenvolvido um servidor de Web/Internet que reside na memória do processador. Assim, os dados que indicam a qualidade do ar interior no edifício estão disponíveis para qualquer utilizador da Internet que disponha de um programa navegador adequado (browser) e, obviamente das credenciais de autenticação corretas.

Numa realização preferencial que, portanto, não pretende limitar o objeto da presente invenção, podem-se incluir os vários elementos: • Rede pública GSM/GPRS, que é disponibilizada por um operador de rede móvel, e que deve ser capaz de transmitir dados usando o sistema GPRS; • 0 terminal do cliente, que pode ser qualquer dispositivo, por exemplo, Smartphone, Tablet, computador pessoal ou telefone móvel, desde que tenha acesso à rede Internet e disponha de um programa adequado de navegação Web - navegador (browser); • 0 dispositivo de comunicações móvel, que pode ser ligado ao sistema de monitorização de dados, o que pode constituir um canal privilegiado para o caso de situações de emergência; • Antena do sistema GSM para comunicação do sinal; • 0 sistema de transmissão serviço GPRS; • 0 módulo com o processador onde se efetua o interface com os sensores e outros dispositivos periféricos (por exemplo, mostrador de cristais líquidos - LCD), inclui o servidor de Web/Internet que disponibiliza a página Web/Internet e gere as comunicações com os clientes; • Memória para armazenamento de dados e programas; • Fonte de alimentação do circuito, com comutador de bateria / adaptador da rede elétrica; • Módulo de interface com os sensores e outros dispositivos periféricos que efetua a interface com os sensores e outros dispositivos periféricos, que inclui sub-módulo de conversão analógico-digital.

D. MÓDULO DE INTERFACE WI-FI Módulo que efetua a interface com o exterior, por intermédio de uma rede sem fios presente no local da instalação do dispositivo;

E. MÓDULO DE COMUNICAÇÃO USB

Permite comunicar com um computador, uma flash drive para armazenamento de dados, ou para carregamento de configurações do sistema;

F. MÓDULO DE LCD É o módulo que permite visualizar as medições dos sensores no local e a navegação nos menus de configuração do dispositivo.

G. MÓDULO DE ATUAÇÃO A presente invenção pode ser ativa ou passiva relativamente à deteção de poluentes no ar. No caso de ser ativa, deverá ser utilizado um módulo atuador, ligado ao equipamento de AVAC, ou outro, que estabeleça comunicação com o servidor, local ou remoto, de modo a poder receber instruções de atuação.

Descrição pormenorizada da invenção A construção do sistema implica:

Na placa principal o processador deverá ter as seguintes caraterísticas mínimas: • Conversor analógico/digital (Analog-to-Digital

Converter - ADC) com pelo menos 9 entradas, ou deverá ser utilizado um conversor externo com as mesmas entradas; • 1 barramento série universal (Universal Serial Bus -USB) ; • 1 periférico de comunicação série (Serial Peripheral Interface - SPI); • 1 transmissor/recetor síncrono e assíncrono universal (Universal Synchronous/Asynchronous

Receiver/Transmitter - USART); • 19 entradas/saídas digitais de utilização geral (General Purpose Input/Output - GPIO); • Relógio e calendário de tempo real interno (Real Time Clock Calendar - RTCC) ou entradas/saídas adicionais para comunicação com um RTC externo; • Memória não volátil (Flash) e volátil (Random-access memory - RAM) em quantidade suficiente para o programa e respetiva execução.

Na placa principal o circuito da fonte de alimentação recebe energia proveniente de um adaptador de tensão AC/DC externo ligado à rede elétrica ou recebe energia proveniente de bateria em caso de falha na rede elétrica. 0 valor de tensão a fornecer ao dispositivo poderá situar-se entre 6.5VDC a 15VDC, dependendo do tipo de regulador e ventilador interno utilizados. 0 circuito da fonte de alimentação é constituído pelos subcircuitos: • Comutador de fornecimento da fonte de energia entre rede elétrica ou bateria. Este comutador é constituído por um circuito seletor de baixas perdas de energia que controla um MOSFET para ativar uma de duas possibilidades de fornecimento de energia elétrica para o dispositivo, evitando que este desligue em caso de falha de energia da rede elétrica. Neste subcircuito, um díodo do tipo Schottky encontra-se em série com a linha que provém do adaptador, de forma a evitar perdas de energia da bateria para o adaptador em caso de falha da rede elétrica; • Reguladores de tensão que têm como objetivo fornecer as linhas de tensão adequadas aos vários circuitos do dispositivo. 0 regulador de 3.3V fornece a alimentação ao processador, ao módulo opcional de comunicação sem fios, controlado pelo processador através de um MOSFET aos módulos dos sensores que funcionem com esta tensão, ao módulo opcional LCD de 3.3V. A existência de circuitos que necessitam de 5V de tensão determinam a necessidade de um regulador de tensão de 5V, por exemplo, controlado pelo processador a memória flash USB, de forma programada pelo microcontrolador os módulos de sensores que necessitem de 5V, e módulo opcional LCD de 5V; • A linha de alimentação não regulada (6.5V a 15V) alimenta também um pequeno ventilador interno na caixa do dispositivo, para fazer circular o ar no interior do mesmo. Esta operação é realizada quando o programa no processaor ativar o respetivo circuito através de um transístor do tipo MOSFET. Neste MOSFET é utilizando no terminal "Gate" a respetiva resistência limitadora de oscilações parasitas, por exemplo de 100 Ohm, e resistência de "pull-down", por exemplo de 1 MOhm, para evitar possíveis estados indefinidos.

Um cristal, com uma determinada frequência de ressonância, é ligado às entradas de oscilador primário do processador e irá determinar a velocidade de execução das instruções do respetivo programa, de acordo com a configuração efetuada. A frequência de ressonância deverá ter um valor de acordo com as instruções do processador, por exemplo 8 MHz. Outro cristal, com uma frequência de ressonância de 32.768kHz, é ligado às entradas de oscilador secundário, possibilitando manter o relógio do processador em funcionamento de forma independente do oscilador primário. Assim o oscilador primário poderá ficar desligado em determinados períodos de modo a evitar consumo de energia desnecessário, mantendo o funcionamento do relógio. A programação do processador poderá ser efetuada com um dispositivo externo de programação obtido através do fabricante do processador. Para tal torna-se necessário associar um conector de programação ligado aos terminais de programação, reinicialização e fonte de alimentação do processador. 0 terminal de reinicialização (MCLR) do processador poderá ficar ligado ao positivo da alimentação através de uma resistência "pull-up" (por exemplo, de 10 kOhm), de forma a evitar a reinicializações não pretendidas.

Junto ao terminal do positivo da fonte de alimentação do processador e restantes circuitos integrados ativos, deverá ser ligado um condensador cerâmico (por exemplo, de 0.1 uF) , para desacoplamento. Este condensador fornece um reservatório de energia para suavizar tensões obtidas devido alterações de curta duração na absorção de corrente do circuito em questão.

Um conector USB tipo A (receptáculo) é ligado à fonte de alimentação e às linhas de comunicação USB do processador. Este destina-se a permitir a utilização de uma memória flash USB como meio de salvaguarda de dados e configurações. Um interruptor eletrónico com capacidade de comutar cargas capacitivas é controlado por uma saída digital do processador por intermédio de um transístor MOSFET, permitindo ativar e desativar a linha de alimentação do conector USB, resultando na possibilidade de poupança de energia quando a memória USB não se encontra a ser utilizada. Neste MOSFET é utilizando no terminal "Gate" a respetiva resistência limitadora de oscilações parasitas, por exemplo de 100 Ohm, e resistência de "pull-down", por exemplo de 1 MOhm, para evitar possíveis estados indefinidos. A colocação de um condensador de capacidade elevada (por exemplo, lOOuF) junto ao terminal de alimentação do conector USB permite reduzir possíveis transições de tensão da fonte de alimentação prevenindo oscilações e instabilidade na alimentação da memória flash.

Três interruptores de configuração do sistema são ligados a três entradas digitais do processador. Quando um interruptor é acionado, é estabelecida uma tensão de nível alto na entrada do processador (lógica positiva), quando o interruptor deixa de ser acionado é estabelecida uma tensão de nível baixo na respetiva entrada do processador através de uma resistência "pull-down" ligada ao retorno da fonte de alimentação. A utilização de uma resistência entre o interruptor e entrada do processador e de um condensador (por exemplo de 0.luF) entre a entrada do processador e o retorno da fonte de alimentação permite eliminar as oscilações provocadas pelo interruptor no decorrer do acionamento (circuito de "debounce")· 0 estabelecimento de nível alto ou baixo em cada entrada do interruptor indica ao programa no processador que o utilizador pretende usar determinada funcionalidade de configuração do programa. Um dos interruptores tem a funcionalidade de selecionar o item acima do item atual no menu do LCD, outro seleciona o item abaixo do item atual no menu do LCD, sendo o restante interruptor destinado a aceitar a seleção do item atual no LCD. Após a seleção de determinados itens de determinados menus no LCD, os interruptores têm também a funcionalidade de modificação de determinados valores de configuração. Por exemplo, selecionando o item "Data/Hora" no menu "Config de Dados", é possível alterar o valor da data e da hora do dispositivo. 0 terminal positivo do LED indicador é ligado a uma das saídas digitais do processador através de uma resistência limitadora de corrente. 0 terminal negativo do LED é ligado ao negativo da fonte de alimentação. Este indicador tem como objetivo indicar de uma forma visual o estado do dispositivo (por exemplo, desligado, em espera, em amostragem, avaria). A linha de alimentação dos módulos de sensores é ativada por um MOSFET controlado pelo processador. Neste MOSFET é utilizando no terminal "Gate" a respetiva resistência limitadora de oscilações parasitas, por exemplo de 100 Ohm, e resistência de "pull-down", por exemplo de 1 MOhm, para evitar possíveis estados indefinidos.

Três sensores integrados na placa principal permitem as medições de: temperatura, humidade relativa e pressão atmosférica. A alimentação destes sensores é ativada pelo processador como descrito no parágrafo anterior. A saída de cada sensor liga-se separadamente à respetiva entrada analógica do processador. Por sua vez o programa no processador efetua uma amostragem aos valores de tensão à saída de cada sensor, traduzindo estes valores através do respetivo periférico conversor analógico/digital (ADC), num valor numérico para posterior processamento.

Na placa principal, a montagem de conectores do tipo "Socket Header Pin Strip" permitem a interligação do módulo opcional de comunicação sem fios "WiFi" e os módulos de sensores de gases opcionais. Conectores adicionais permitem a ligação de um módulo GSM/GPRS, LCD opcional e o sensor de partículas suspensas no ar. Módulos de sensores 0 sensor de partículas suspensas no ar deverá incluir praticamente toda a eletrónica necessária para o respetivo acondicionamento de sinal. Componentes adicionais são interligados junto ao respetivo conector na placa principal. Caso seja utilizado o sensor "GP2Y1010AU0F" do fabricante SHARP, o circuito adicional consistirá num condensador de elevada capacidade (por exemplo 220 uF) ligado entre a linha de sinal fornecido ao LED de infravermelhos do módulo e o negativo da fonte de alimentação, e resistência na mesma linha de sinal fornecido ao LED. O terminal de saída deste módulo deverá ser ligado a uma entrada analógica do processador de modo a possibilitar a amostragem do sinal de tensão obtido, traduzindo esse valor através do periférico conversor analógico / digital (ADC), num valor numérico para posterior processamento. Uma das saídas do processador deverá fornecer ao LED de infravermelhos o sinal necessário para colocação em funcionamento deste módulo. O sensor de dióxido de carbono consiste num módulo já com o acondicionamento de sinal incluído, sendo ligado diretamente ao processador através do periférico de comunicação Transmissor / Recetor Síncrono e Assíncrono Universal (Universal Synchronous / Asynchronous Receiver / Transmitter - USART). A obtenção de dados é efetuada através do envio de comandos do processador pela linha de comunicação para o módulo do sensor, seguindo-se a resposta com o valor da concentração atual. No caso de utilização de um sensor com saída analógica, este poderá ser ligado através do respetivo circuito de acondicionamento de sinal a uma das entradas analógicas do processador. 0 módulo do sensor de compostos orgânicos voláteis pode ser ligado a uma das linhas de alimentação disponíveis (5V ou 3.3V) . No caso de utilização do sensor "PID-AH" do fabricante Alphasense, se for escolhida uma tensão de alimentação de 3.3V, o sinal de saída poderá ser ligado diretamente a uma das entradas analógicas do processador. Caso se pretenda evidenciar uma determinada gama de saída do sensor, poderá ser utilizado um amplificador operacional para amplificação seguido de um diferenciador para ajustar o sinal numa gama aceitável ao conversor ADC. Caso seja utilizado outro sensor, será necessário realizar o respetivo circuito de acondicionamento de sinal de modo a obter o sinal de saída na gama do conversor ADC. 0 módulo do sensor de monóxido de carbono deverá realizar o acondicionamento de sinal deste sensor de modo a obter o intervalo de concentração desejada deste gás numa saída em tensão adequado à gama do conversor ADC. No caso de utilização de um sensor de monóxido de carbono do tipo potenciostático de três terminais, será necessário um circuito de controlo, um circuito de medição e um FET de curto-circuito tal como descrito nas notas de aplicação do fabricante. Poderá depois ser realizada uma amplificação e filtragem ativa de ruído do sinal, antes da aplicação do sinal numa das entradas analógicas do conversor ADC. 0 módulo do sensor de ozono deverá realizar o acondicionamento de sinal deste sensor de modo a obter o intervalo de concentração desejada deste gás numa saída em tensão adequado à gama do conversor ADC. No caso de utilização de um sensor de ozono do tipo potenciostático de três terminais, será necessário um circuito de controlo, um circuito de medição e um FET de curto-circuito tal como descrito nas notas de aplicação do fabricante. Poderá depois ser realizada uma amplificação e filtragem ativa de ruido do sinal, antes da aplicação do sinal numa das entradas analógicas do conversor ADC. 0 módulo do sensor de formaldeido deverá realizar o acondicionamento de sinal deste sensor de modo a obter o intervalo de concentração desejada deste gás numa saida em tensão adequado à gama do conversor ADC. 0 acondicionamento de sinal poderá ser realizado de acordo com as notas de aplicação do fabricante. Poderá depois ser realizada uma amplificação e filtragem ativa de ruido do sinal, antes da aplicação do sinal numa das entradas analógicas do conversor ADC.

Módulo GSM / GPRS 0 processador aloja um servidor de Web/Internet para páginas em linguagem HTML. Este software utiliza a família de protocolos Internet, nomeadamente o protocolo TCP (Transmission Control Protocol - Protocolo de Controlo de Transmissão) e o protocolo IP (Internet Protocol - Protocolo de Interconexão). 0 processador integra um código de programa de protocolos TCP/IP, que implementa toda a pilha protocolar desde a camada Física até à camada de Transporte, passando pela camada de Rede. Na camada de Rede está implementado o protocolo IP e na camada de Transporte os protocolos TCP e UDP. Nas aplicações comuns existe um processador que possui dados, gera os pacotes TCP/IP e entrega-os à camada de Transporte do módulo do sistema GSM/serviço GPRS, para que este os transmita usando a sua pilha protocolar. A pilha TCP/IP no processador inclui na camada de Aplicação um servidor Web/Internet englobando uma página em linguagem HTML que utiliza o protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol) para transmissão de dados. 0 acesso à página HTML é feito utilizando o porto 80, já que este é normalmente usado pelos navegadores (browsers) para acesso às páginas Web/Internet. Para que o protocolo HTTP consiga transferir os seus dados pela Web/Internet, é necessário que os protocolos TCP e IP tornem possível a ligação entre clientes e servidores. Essa ligação efetua-se utilizando tomadas ou soquetes (Socket), que são manipuladas através de um conjunto de comandos AT (Attention Terminal) dedicados a essa tarefa, nomeadamente o comando AT#SKTOP, para efetuar as operações de Socket Open () - abrir tomada, AT#SKTD para Socket Dial () - conectar tomada, AT#SKTL para Socket Listen () auscultar tomada, Activation of GPRS Context (AT#GPRS) ativação de contexto do serviço GPRS, Socket Close () fechar tomada (+++ depois de AT#SKTD e +++ depois de AT#SKTOP) e Socket Configuration - configuração de tomada (AT#PKTSZ, AT#DSTO, AT#SKTTO, AT#SKTTO e AT#SKTCT). O funcionamento do servidor Web/Internet implementado sobre o protocolo HTTP pode ser descrito da seguinte forma: a) Quando estabelece ligação à rede do serviço GPRS, o módulo é configurado, recebendo o seu endereço de protocolo IP. Este endereço é subsequentemente enviado a um servidor de sistema DNS (Domain Name System) dinâmico para que seja conhecido externamente; b) De seguida, o módulo fica em modo de escuta da rede, estando atento a ligações que tenham como destino a porta 80 do protocolo de Transporte TCP. Sempre que um cliente solicitar o acesso a uma página Web/Internet, o módulo recebe o seu pedido neste porto e, se o mesmo for aceite, liga-se ao dispositivo cliente; c) Se durante a fase de escuta a intensidade do sinal recebido não possibilitar a manutenção da ligação ativa, o IP será perdido e o módulo repete a) e b); d) Após a recuperação do pedido através do protocolo HTTP (GET - obter ou POST - enviar) , verifica se o seu conteúdo corresponde a um pedido de Web/Internet, pedido de submissão (Submit) de um botão para uma ação especifica, etc.;

Com base no pedido efetuado, o servidor Web/Internet envia ao navegador (Browser) cliente, um código de resposta do protocolo HTTP e, se for caso disso, o código da linguagem HTML da página associada a esse pedido. Para terminar a ligação estabelecida com o navegador (Browser), é enviado ao módulo o comando "+++", designado por sequência de carateres de controlo ou escape (escape sequence). Após terminar o pedido, volta à etapa b) ficando à espera de um novo pedido de cliente.

Os dados disponibilizados através da página Web/Internet são armazenados numa memória flash USB, de modo que podem ser descarregados para um computador diretamente ou remotamente, quando for necessário.

Numa realização preferencial desta invenção, o dispositivo inclui um servidor Web/Internet integrado que sendo um servidor dinâmico, compreende um servidor de protocolo HTTP para conteúdo em linguagem HTML e uma linguagem de programação mediadora (middleware). A unidade de processamento gere todas as comunicações com o módulo do sistema GSM / GPRS, para enviar mensagens do sistema SMS ou estabelecer comunicações com outros dispositivos do protocolo IP na Internet. As configurações, pedidos e disponibilização de dados são efetuados através da página Web/Internet (em linguagem HTML).

Os dados dos sensores, depois de submetidos a conversão analógico-digital são adquiridos pelo processador, e guardados na memória. Quando solicitados por um utilizador através da página Web, são aí apresentados. Os atuadores são igualmente ativados através de uma opção na página Web. Os números de telemóvel para o envio de SMS são colocados na página Web e podem ser associados a entradas de sensores que ativam o envio dos SMS. Módulo opcional de comunicação sem fios WiFi 0 módulo opcional de comunicação sem fios WiFi poderá ser ligado aos terminais do periférico de comunicação série (Serial Peripheral Interface - SPI) do processador, caso seja esta a forma de comunicação do módulo. Caso a forma de comunicação do módulo seja através de comunicação Transmissor / Recetor Síncrono e Assíncrono Universal (Universal Synchronous / Asynchronous Receiver / Transmitter USART), este deverá ser ligado aos terminais correspondentes no processador. Este módulo é alimentado a partir da linha de alimentação de 3.3V da placa principal. A existência de terminais adicionais de controlo do módulo permitem funcionalidades adicionais, tais como a colocação do módulo em modo de poupança de energia quando não está a ser utilizado, reinicialização do módulo ou atualização de firmware.

Módulo opcional de visualização LCD

Um módulo de visualização de cristais líquidos (Liquid-crystal display - LCD) poderá ser ligado ao processador, através de um conector para esse efeito na placa principal, permitindo assim a visualização dos dados do dispositivo, bem como a sua configuração e calibração. No caso de utilização de um módulo LCD com o controlador Hitachi HD44780 (ou compatível), 7 entradas/saídas digitais (GPIO) do processador serão utilizadas com os seguintes terminais do módulo: seleção de registo (Register Select - RS), leitura/escrita (Read/Write - R/W), ativação (Clock (Enable)), dados (bit 4 a bit 7).

Breve descrição das figuras

Figura 1 - Circuito amplificador das diferenças com um ampop.

Figura 2 - Circuito adaptação de sinal do sensor C02 ao ADC.

Figura 3 - Esquema do circuito de medição para o sensor CO e 03.

Figura 4 - Esquema do circuito do amplificador de diferenças para obtenção da escala pretendida.

Figura 5 - Esquema do circuito de acondicionamento de sinal para o sensor 2-FE5/2-FP5.

Figura 6 - Esquema do seguidor de tensão (buffer) a utilizar no amplificador de diferenças.

Forma preferencial de realização da invenção A descrição seguinte mostra os passos realizados para o dimensionamento do circuito de acondicionamento de sinal dos sensores potenciostáticos de monóxido de carbono e ozono.

Neste tipo de sensor eletroquímico, baseado em tecnologia de células de combustível, ocorre a difusão do gás no sensor através de uma membrana, atuando no elétrodo de trabalho (working electrode - WE) . 0 elétrodo de referência (reference electrode - RE) fornece a realimentação de modo a manter um potencial constante no terminal WE, variando a tensão no contra elétrodo (counter electrode - CE). 0 sentido da corrente no terminal WE depende se a reação é de oxidação ou de redução. No caso do monóxido de carbono ocorre a oxidação, logo a corrente flui para o terminal WE. Assim é necessário que o terminal CE tenha uma tensão negativa em relação ao terminal WE (tipicamente, 300 mV a 400 mV) . É aconselhado que o amplificador operacional (ampop) que conduz o terminal CE, tenha um intervalo de saída em tensão de ±1 V em relação a Vref, de modo que o mesmo tipo de circuito possibilite a utilização de outros sensores do mesmo tipo. O circuito potenciostático simplificado deve ser desenvolvido de modo a ser aplicado na prática. Na Figura 3 apresenta-se o respetivo esquema detalhado. Este circuito pode ser dividido em vários blocos funcionais: • Tensão de referência - 0 integrado U4, ADR291 estabelece uma referência de precisão de pseudo-massa para o circuito, que evita a utilização de uma fonte de alimentação simétrica. Este circuito integrado consome um valor muito baixo de corrente (12 μΑ) , contribuindo assim para a viabilidade de utilização de baterias como fonte de alimentação do sistema; • Circuito de controlo - 0 circuito de controlo é definido como circuito potenciostático, que tem como objetivo manter uma tensão entre o elétrodo de referência (RE) e o elétrodo de trabalho (WE) de modo a controlar a reação eletroquímica e fornecer um sinal de saida proporcional à corrente de WE. Assim, o circuito constituído pelo ampop U5-1 que absorve corrente suficiente do terminal CE de modo a compensar a corrente do terminal WE, mantendo assim um potencial controlado entre os terminais WE e RE. 0 terminal RE é ligado à entrada de realimentação (entrada invertida) do ampop U5-1, não circulando deste modo (idealmente) qualquer corrente para o interior ou exterior deste. Observa-se assim que a corrente vem do terminal WE, variando linearmente com a concentração de gás; • Na prática existem correntes que circulam nas entradas do ampop (input bias current). É recomendado a utilização de um ampop com corrente de entrada inferior a 5 nA, já que o desenvolvimento de um circuito potenciostático com um ampop com correntes elevadas de entrada irá influenciar a sensibilidade do sensor e aumentar a variação de sensor para sensor. Neste caso é utilizado o ampop ADA4505-2 da Analog Devices, que tem entradas Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) com uma corrente máxima de entrada (input bias current) de 2 pA. A escolha deste ampop para utilização nos vários circuitos também se justifica devido ao baixo consumo de corrente (10-20 μΑ por ampop), contribuindo assim para a viabilidade de utilização de baterias como fonte de alimentação do sistema. Ao ligar o circuito, o modo de depleção do JFET (Q1 na Figura 5) entra no estado de alta impedância, e o ampop U5-1 absorve corrente para manter o terminal WE ao mesmo potencial que RE. Qualquer desvio devido a um offset de tensão na entrada U5-1 irá causar um deslocamento repentino no potencial ao ligar o circuito. Os sensores de gases tóxicos têm uma grande capacitância, logo podem fluir correntes significativas para pequenos deslocamentos de potencial. Assim deve ser verificado que o ampop tem uma tensão de offset baixa, inferior a 1 mV, preferencialmente inferior a 100 pV. Deve também ser verificado a tensão de offset do ampop à temperatura máxima de utilização. Neste caso, o ADA4505-2 tem uma tensão de offset típica de 0.5 mV (3 mV no máximo) atingindo 4 mV nos extremos da temperatura suportada (-40°C/125°C). Ao ligar o circuito na presença de um gás eletroativo, ou ao ligar um novo sensor pela primeira vez, este pode fornecer um pico de corrente de vários mA tendo como consequência que o circuito de medição (U5-2) mantenha um valor constante no extremo da tensão positiva ou negativa (clamp), dependendo da capacidade de condução de corrente do ampop. O sensor deverá ser sempre conectado antes de ligar a fonte de alimentação do circuito. A estabilidade e redução de ruído depende de Rl5, Rl6, C13 e C15; • Circuito de medição de corrente - 0 amplificador em configuração de transimpedância U5-2 converte a corrente do sensor numa tensão proporcional à concentração do gás. A corrente do sensor é refletida através de R19 e R20, gerando uma tensão de saida relativa à terra virtual. 0 condensador C17 reduz o ruido de alta frequência. Neste caso o valor de R19 e R20 é um valor baixo de modo que o circuito se oponha à corrente do sensor em condições de transição, seguido de um segundo andar de ganho de modo a fornecer a saida necessária. 0 circuito de medição usa uma combinação da resistência de carga (RLOAD) R18 adicionado à resistência interna do sensor e capacitância interna do sensor, para estabelecer um circuito RC. A seleção de RLOAD é um compromisso entre o tempo de resposta mais rápido (resistência RLOAD baixa) e melhor ruido (resistência RLOAD elevada). Este circuito RC afeta assim ambos, ruido rms e tempo de resposta. 0 tempo de resposta aumenta linearmente com o aumento da resistência RLOAD enquanto o ruido decresce rapidamente com o aumento de RLOAD. Neste caso optou-se pela resolução mais elevada resultando assim num tempo de resposta mais lento. Devido à baixa impedância do circuito deverá ser utilizado um ampop com ruido de corrente baixo (geralmente à custa do ruido de tensão) para obter a melhor performance de ruido global; • FET de curto-circuito - É prática corrente adicionar um FET de curto-circuito de modo que os elétrodos de referência e trabalho fiquem curto-circuitados (com uma resistência residual de umas poucas dezenas ohms) quando a alimentação é removida do circuito. É assim assegurado que o elétrodo de trabalho é mantido ao mesmo potencial que o elétrodo de referência quando o circuito é desligado. 0 FET de curto-circuito é normalmente um circuito aberto desde que a fonte de alimentação esteja aplicada. Deste modo, é assegurado que quando o circuito é ligado, o sensor encontra-se pronto de imediato. Se não for utilizado um FET de curto-circuito e o sensor for deixado em circuito aberto, o sensor de gás tóxico irá demorar algumas horas para estabilizar ao ligar o circuito. Neste caso o FET (Ql) deverá ser do tipo P. Observação: Para circuitos que precisem de uma tensão pré-determinada para definir um ponto apropriado de operação (bias voltage), que não é o caso dos sensores utilizados neste projeto, essa tensão deverá ser mantida em vez da utilização do FET de curto-circuito. A tensão poderá ser mantida, por exemplo, através de baterias e não irá afetar a vida operacional do sensor. Caso não se tenha esta situação em conta, o sensor irá demorar um tempo significativo (até várias horas) para reestabelecer o equilíbrio após a ligação da fonte de alimentação ao circuito.

Descreve-se de seguida um circuito de acondicionamento de sinal para o sensor CO, com as especificações da tabela 1.

A saída em tensão do amplificador de transimpedância será dada por

onde ^ é a corrente que circula para o terminal WE, e RF, que no circuito da Figura 2 será R8, é a resistência de realimentação de transimpedância. A resposta máxima que se poderá obter de um sensor C0-B4 será 750 nA/ppm e a gama máxima de entrada 50 ppm de monóxido de carbono. Isto resulta numa corrente máxima de saída de cerca de 37.5 μΑ e uma tensão máxima de saída determinada pela resistência de transimpedância:

Utilizando uma fonte de alimentação de 5 V obtém-se um intervalo útil de 2.5 V à saída do ampop U2-B. Selecionando Rf = 61.9 kQ, resulta em Vomax = 4.82 V que permite aproximadamente 7% de gama adicional acima da gama de medição.

Utilizando um valor médio para a sensibilidade do sensor de 625 nA/ppm, obtém-se a tensão de saída em função da concentração de monóxido de carbono, como se verifica na equação seguinte:

Como mencionando anteriormente, a resistência R4 mantém ο ruído num nível razoável, sendo o seu valor um compromisso entre a magnitude do ganho do ruído e o erro de tempo de estabelecimento do sensor quando exposto a elevadas concentrações de gás. Neste caso foi utilizado o valor R4 = 100Ω que resulta num ganho de ruído de 620 como se verifica na equação seguinte:

A entrada de ruído do amplificador de transimpedância surge à saída amplificado pelo ganho de ruído. Para este circuito estamos interessados no ruído de baixa frequência porque a frequência de operação do sensor é muito baixa. O ampop ADA4502-2 tem uma tensão de ruído entre 0.1 Hz a 10 Hz para 2.95 yV p-p (pico-a-pico), como indicado pela equação seguinte:

Como a resposta do sensor é muito lenta, é possível tirar partido desta situação para realizar a filtragem da muito baixa frequência 1/f de ruído, utilizando um filtro passa-baixo formado por uma resistência em série e um condensador em paralelo, com uma frequência de corte de 0.16Hz. Mesmo com este filtro de baixa frequência, o seu efeito no tempo de resposta do sensor é negligenciável quando comparado com o tempo de resposta do sensor (25s).

Como referenciado anteriormente, o sentido da corrente no terminal WE depende se a reação é de oxidação ou de redução.

No caso do ozono ocorre a redução, logo a corrente flui do terminal WE, que assim necessita que o CE tenha uma tensão positiva em relação ao WE. Descreve-se de seguida um circuito de acondicionamento de sinal para o sensor 03, com as especificações da tabela 2.

A saída em tensão do amplificador de transimpedância será dada pela equação seguinte:

A resposta máxima (ignorando o sentido da corrente) que se poderá obter de um sensor 03-B4 será -1700 nA/ppm e a gama máxima de entrada 2 ppm de ozono. Isto resulta numa corrente máxima de saída de cerca de -3.4 μΑ e uma tensão máxima de saída determinada pela resistência de transimpedância:

Selecionando Rf = 300 kQ, resulta em Vomin = 1.48 V, permitindo um intervalo considerável de gama adicional acima da gama de medição.

Utilizando um valor médio para a sensibilidade do sensor de -1275 nA/ppm, obtém-se a tensão de saída em função da concentração de ozono, como se verifica na equação seguinte:

Utilizado R4 = 100Ω, resulta num ganho de ruído de 3001 como verifica na equação seguinte:

O ampop terá uma tensão de ruído de 2.95 yV p-p (pico-a-pico) entre 0.1 Hz a 10 Hz, assim o ruído na saída pode ser obtido pela equação seguinte:

A tabela 3 mostra as especificações do sensor de formaldeído (HCHO) .

Tal como nos circuitos anteriores, o FET de curto-circuito previne a acumulação de offset quando o circuito se encontra desligado. A tensão de referência Ui evita a utilização de tensões simétricas no ampop. 0 condensador C2 estabiliza o ampop prevenindo oscilações. A saída em tensão do amplificador de transimpedância será dada pela equação seguinte:

Onde 1.235V é a tensão de referência obtida na tensão de referência U2, Isens a corrente à saída do sensor, e R3+VR2 uma resistência ajustável entre 10 kQ e 480 kQ. O valor para de Vo máximo para a gama pretendida (10 ppm) será:

, para uma sensibilidade de 150 nA/ppm, e

para uma sensibilidade de 350 nA/ppm.

De modo a adaptar a saída na escala pretendida é adicionado ao esquema um amplificador de diferenças, como indicado na Figura 4. O ampop deste circuito corresponde ao ampop U2-1 do circuito completo representado na Figura 5.

Pretende-se

, desenvolvendo fica

obtemos

para uma sensibilidade de 150nA/ppm, devemos ajustar Vi

para 350 nA/ppm, Vi será

De modo a fornecer a tensão Vi, poderá ser utilizado um amop em configuração de buffer unitário com um divisor de tensão resistivo, como se indica na Figura 6 correspondente ao ampop U2-2 da Figura 5.

para cada um dos limites de sensibilidade obtemos

deste modo, se R2 = 10 kQ, Ri deverá situar-se no intervalo de 30.2 kQ a 16.25 kQ, podendo ser utilizado uma resistência variável para ajuste do respetivo valor. A Figura 5 apresenta o esquema de acondicionamento de sinal do sensor de HCHO.

Acrescenta-se que todos os componentes e medições estão de acordo com os requisitos legais. Acrescenta-se que o desenvolvimento do sistema teve por base o Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização dos Edifícios (RSECE), com o texto relevante descrito no capítulo 2.3 dos relatórios. Não tenho conhecimento se entretanto ocorreu alguma atualização do regulamento.)

Exemplos de aplicação industrial A presente invenção pode ser aplicada industrialmente na produção de dispositivos portáteis ou fixos de monitorização da qualidade do ar interior de edifícios, nomeadamente em dispositivos de análise e avaliação da qualidade do ar interior, com ou sem atuação automática ou manual dos sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado, de forma a manter uma boa qualidade do ar interior.

Uma realização foi concretizada com as seguintes funcionalidades: aquisição de sinais dos vários gases presentes no ar interior em edifícios, tais como dióxido de carbono, monóxido de carbono, compostos orgânicos voláteis, formaldeído, ozono, aquisição de sinal do sensor de partículas suspensas no ar, temperatura, humidade e pressão. O hardware poderá utilizar um módulo Telit, que inclui os sub módulos do sistema GSM. A taxa de comunicação do módulo do sistema GSM/serviço GPRS é de 36kbps, sendo que um módulo do serviço UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) poderá efetuar este tipo de comunicação a uma taxa bastante superior . A aquisição e análise de dados adquiridos são efetuados por um processador PIC32MX440F512H (Microchip). Os dados são atualizados num determinado intervalo de tempo configurável, podendo gerar alarmes por SMS ou email. 0 acesso à página Web/Internet é precedido de uma página de autenticação, limitando o acesso a pessoas com o nome de utilizador e palavra passe.

Leiria, 09 de janeiro de 2015

Claims (10)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Sistema sensorial para medição da qualidade do ar interior autónomo e com acesso remoto constituído por placa principal constituída por processador, fonte de alimentação; bloco de sensores de temperatura, do ar, humidade relativa e pressão atmosférica, não amovíveis; módulo de calendário e relógio de tempo real interno; módulo de memória de armazenamento de dados; encaixes modulares; e fonte de alimentação do circuito, com comutador de bateria / adaptador da rede elétrica e caracterizado por: a) sensor de dióxido de carbono, o qual consiste numa fonte de infravermelhos, cavidade ótica, detetor de duplo canal e termístor interno, ligado diretamente à unidade de processamento através do periférico de comunicação Transmissor / Recetor Síncrono e Assíncrono Universal; b) sensores de monóxido de carbono e ozono, os quais são sensores eletroquímicos de três terminais, baseados em células de combustível; c) sensor de formaldeído do tipo eletroquímico de dois elétrodos baseado em tecnologia de células de combustível, e constituído por elétrodos de metais nobres num eletrólito e uma barreira de difusão; d) sensor de partículas suspensas no ar ligado entre a linha de sinal fornecido ao LED de infravermelhos do módulo e o negativo da fonte de alimentação, e resistência na mesma linha de sinal fornecido ao LED; e) sensor de compostos orgânicos voláteis ligado a uma das linhas de alimentação disponíveis; f) módulo GSM/GPRS composto uma unidade de processamento que aloja um servidor de Web/Internet para páginas em linguagem HTML; unidade de processamento que integra um código de programa de protocolos TCP/IP; processador; pilha TCP/IP na unidade de processamento que inclui um servidor Web/Internet que engloba uma página em linguagem HTML; tomadas ou sockets manipulados através de um conjunto de comandos; um módulo de comunicação móvel; e um sistema de rádio ligado à rede de comunicações móvel.
2. 2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir: a) rede pública GSM/GPRS, que é disponibilizada por um operador de rede móvel; b) terminal do cliente, que pode ser qualquer dispositivo com acesso à rede Internet e programa de navegação Web; c) dispositivo de comunicações móvel, que pode ser ligado ao sistema de monitorização de dados; d) antena do sistema GSM para comunicação do sinal; e) sistema de transmissão serviço GPRS; f) módulo com a unidade de processamento que inclui o servidor de Web/Internet; g) memória para armazenamento de dados e programas; h) módulo de interface com os sensores e outros dispositivos periféricos e inclui sub-módulo de conversão analógico-digital.
3. 3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por apresentar na sua constituição um módulo de interface WI-FI, o qual pode ser ligado aos terminais do periférico de comunicação série do processaor; módulo de comunicação em barramento série universal; e um módulo de visualização de cristais líquidos, o qual pode ser ligado ao processador, através de um conector na placa principal.
4. 4. Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por apresentar na sua constituição um módulo de atuação ligado ao equipamento de ventilação.
5. 5. Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por os módulo de calendário e relógio de tempo real e módulo de memória de armazenamento de dados serem internos ou externos ao microcontrolador.
6. 6. Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por os encaixes modulares pertencerem à placa principal.
7. 7. Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por os sensores de dióxido de carbono, de monóxido de carbono, de Ozono e de formaldeido serem distribuídos em placas amovíveis ou ligados diretamente através de conectores à placa principal.
8. 8. Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por sensor de dióxido de carbono ter saída analógica e ser ligado através do respetivo circuito de acondicionamento de sinal a uma das entradas analógicas do processador.
9. 9. Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por o processador na placa principal apresentar: a) conversor analógico/digital com pelo menos nove entradas, ou conversor externo com pelo menos nove entradas; b) barramento série universal e periférico de comunicação série; d) transmissor/recetor síncrono e assíncrono universal; e) dezanove entradas/saídas digitais de utilização geral; f) relógio de tempo real e calendário interno ou entradas/saídas adicionais para comunicação com um RTCC externo; g) pelo menos uma memória não volátil e outra volátil.
10. 10. Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por o circuito da fonte de alimentação ser constituído por: a) comutador de fornecimento da fonte de energia entre rede elétrica ou bateria constituído por um circuito seletor de baixas perdas de energia; b) díodo do tipo Schottky em série com a linha que provém do adaptador; reguladores de tensão; ventilador interno; e) cristal ligado às entradas de oscilador primário do processador e outro cristal ligado às entradas de oscilador secundário; f) dispositivo externo de programação; g) conector de programação ligado aos terminais de programação, reinicialização e fonte de alimentação do processador; h) terminal de reinicialização do microcontrolador ligado ao positivo da alimentação através de uma resistência; i) condensador cerâmico para desacoplamento ligado junto ao terminal do positivo da fonte de alimentação do processador e restantes circuitos integrados ativos; j) conector USB ligado à fonte de alimentação e às linhas de comunicação USB do microcontrolador; k) interruptor eletrónico controlado por uma saida digital do processador por intermédio de um transistor; l) condensador junto ao terminal de alimentação do conector USB; m) interruptores de configuração do sistema ligados às entradas digitais do processador; n) resistência entre o interruptor e entrada do processador; o) condensador entre a entrada do processador e o retorno da fonte de alimentação; p) terminal positivo do LED indicador ligado a uma das saldas digitais do processador através de resistência limitadora de corrente e terminal negativo do LED é ligado ao negativo da fonte de alimentação; q) três sensores: de temperatura,de humidade relativa e de pressão atmosférica, onde a saida de cada sensor se liga separadamente à respetiva entrada analógica do processador; r) periférico conversor analógico/digital e conectores na placa principal. Leiria, 09 de janeiro de 2015