A Novel IoT-based Plug-and-Play Multi-Gas Sensor for Environmental Monitoring

Abstract

A detecção e a medição de gases ambientais tornaram-se essenciais em diversos campos e aplicações, desde a prevenção de acidentes, até avisos de poluição do ar, e garantindo a mistura correta de gases para pacientes em hospitais. Vazamentos de gases podem atingir grandes proporções, afetando bairros ou até mesmo cidades, causando enormes impactos ambientais. A integração de sensores de gases ambientais por meio do paradigma da Internet das Coisas (do Inglês, Internet of Things IoT) deve facilitar os processos de coleta e compartilhamento de dados, proporcionando melhores experiências aos usuários e evitando grandes perdas e despesas. Com esta integração, os usuários finais devem ser capazes de operar esses dispositivos sem prévio conhecimento tecnológico, portanto, a proposta de sensores e atuadores Plug-and-Play (PnP) deve ser considerada. Esta dissertação explora uma revisão e avaliação das tecnologias de detecção de gases, os sensores de gás com conexão sem fio propostos na literatura e as abordagens PnP para dispositivos habilitados para IoT. Após a revisão da literatura, uma solução integrada baseada em IoT para detecção de gases ambientais sob uma nova abordagem PnP é proposta, combinando as integrações de hardware e software para uma melhor experiência do usuário. Nesta proposta, é definida uma interface Plug-and- Play, utilizando-se a interface de comunicação serial universal (do Inglês, Universal Serial Communication Interface USCI) para microcontroladores (do Inglês, Microcontroller Units MCUs) através do protocolo universal assíncrono receptor e transmissor (do Inglês, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter UART), explorado através do múltiplo acesso por divisão de tempo (do inglês, Time Division Multiple Access TDMA), permitindo que mais de dois MCUs se comuniquem no mesmo barramento. A comunicação sem fio é feita através dos padrões IEEE 802.15.4 e IEEE 802.11 (Wi-Fi), e as unidades de detecção são compostas por um MCU de baixa potência e um transdutor de gás. Nesta proposta, as tecnologias para sensoriamento de gases eletroquímico e semicondutor de óxido de metal (do Inglês, Metal Oxide Semiconductors MOS) foram escolhidas devido à sua fácil implementação. Finalmente, foi feita a integração do sistema proposto com um Middleware para IoT, um software que recebe os dados detectados, armazena-os e os encaminha para outros dispositivos inteligentes no mesmo contexto. Foi desenvolvido um aplicativo móvel para Android, a fim de alertar os usuários sobre as concentrações de gases ambientais foi desenvolvido através da plataforma Android Studio. A solução proposta foi experimentada, demonstrada, validada e está pronta para uso.