Protótipo de sistema embarcado utilizando sensor ultrassônico para monitoramento do nível de corpos d'água em tempo real e alerta de enchentes

Abstract

As enchentes representam um problema recorrente em diversos municípios brasileiros, causando impactos sociais, econômicos e ambientais significativos. A ausência de sistemas automatizados e de baixo custo para monitoramento contínuo de corpos d'água dificulta a emissão antecipada de alertas à população. Este trabalho de conclusão de curso tem o objetivo de desenvolver um protótipo de sistema embarcado de baixo custo utilizando sensor ultrassônico para medir o nível de corpos d’água em tempo real com o intuito de mitigar o impacto de enchentes. Foi realizada uma pesquisa bibliográfica para embasamento técnico e científico da solução proposta e adotou-se a metodologia Design Science Research Methodology (DSRM) que guiou a pesquisa através de uma estrutura sistemática para desenvolvimento do artefato. Primeiramente foi identificado o problema, que no caso são as enchentes que ocorrem em Araranguá e região. Depois foram definidos os objetivos, que inclui o desenvolvimento do protótipo com base no conhecimento e estado da arte sobre o problema e soluções já apresentadas. Depois desenvolveu-se o protótipo em ambiente controlado. E então demonstrou-se o seu funcionamento avaliando os dados de leitura do mesmo utilizando-se de métricas para determinar sua acurácia. Foi desenvolvido também um website para monitoramento do mesmo. E um listener assíncrono que é um software que funciona no backend que fica escutando alterações na Real-Time Database do Firebase nos valores atuais das sondas dos usuários, grava no respectivo gráfico de onda do website de hora em hora os valores lidos pela sonda e envia um e-mail ao usuário quando o nível da água ultrapassar determinado limite definido por ele. Foi feita uma prova de conceito para verificar se o protótipo funciona. E também medido e registrado os valores lidos pela sonda para calcular a acurácia do protótipo, neste caso foram utilizadas 12 medições. Foi usado o erro absoluto médio, o erro de viés médio e o erro relativo médio para fins de cálculo da precisão do protótipo. Além disso, foi comparada a precisão do protótipo desenvolvido (erro relativo médio) na presente pesquisa aplicada com a de um estudo identificado na revisão bibliográfica. O protótipo apresentou erro relativo médio de 2,96%, demonstrando precisão compatível com aplicações de monitoramento de nível da água para fins de alerta de enchentes. Os resultados indicam que a solução proposta é viável para aplicações de monitoramento hidrológico de baixo custo e possui potencial para utilização em sistemas de alerta precoce de enchentes. Por fim, o protótipo passou na prova de conceito e a presente pesquisa aplicada conseguiu alcançar com êxito os objetivos propostos.

Floods represent a recurring problem in several Brazilian municipalities, causing significant social, economic, and environmental impacts. The lack of low-cost, automated systems for the continuous monitoring of water bodies hinders the early issuance of warnings to the population. This undergraduate monograph aims to develop a low-cost embedded system prototype using an ultrasonic sensor to measure water body levels in real time in order to mitigate flood impacts. A bibliographic research was conducted to provide a technical and scientific foundation for the proposed solution, and the Design Science Research Methodology (DSRM) was adopted, guiding the research through a structured research model for the development of the artifact. First, the problem was identified, which in this case refers to the floods occurring in Araranguá and its surrounding region. Subsequently, the objectives were defined, which included developing the prototype based on the knowledge and state-of-the-art regarding the problem and previously proposed solutions. Next, the prototype was developed in a controlled environment. Its functionality was then demonstrated by evaluating its reading data using metrics to determine its accuracy. A website was also developed to monitor the system. Furthermore, an asynchronous listener was implemented — a backend software that listens for changes in the users' probe current values within the Firebase Real-Time Database, records the probe readings hourly on the website's respective waveform graph, and sends an email to the user when the water level exceeds a specific limit defined by them. A proof of concept was conducted to verify the prototype's functionality. Additionally, the values read by the probe were measured and recorded to calculate the prototype's accuracy; for this purpose, 12 measurements were used. The mean absolute error, mean bias error, and mean relative error were used to calculate the prototype's precision. In addition, the precision of the developed prototype (mean relative error) in this applied research was compared with that of a study identified in the literature review. The prototype presented a mean relative error of 2.96%, demonstrating a precision compatible with water level monitoring applications for flood warning purposes. The results indicate that the proposed solution is viable for low-cost hydrological monitoring applications and has the potential to be used in early flood warning systems. Finally, the prototype passed the proof of concept, and this applied research successfully achieved its proposed objectives.