Avaliação experimental de uma arquitetura multimodal de baixo custo para monitoramento hidráulico residencial baseada em sensores piezoelétricos e de vazão

Abstract

O desperdício de água em instalações hidráulicas residenciais representa um problema relevante do ponto de vista econômico, ambiental e estrutural, especialmente quando associado a vazamentos de difícil identificação visual. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo desenvolver e avaliar experimentalmente um sistema de monitoramento de vazamentos hidráulicos residenciais utilizando sensores de baixo custo, microcontrolador ESP32 e técnicas de aquisição e processamento digital de sinais. A proposta baseou-se em uma abordagem multimodal, integrando sensores piezoelétricos, utilizados para captação de vibrações mecânicas na tubulação, e sensores de vazão baseados em efeito Hall, empregados para medição do fluxo hidráulico. Para a realização dos ensaios, foi construída uma maquete hidráulica em escala reduzida, composta por tubulações de PVC e módulos de vazamento ajustáveis. O sinal proveniente do sensor piezoelétrico foi condicionado por circuitos de pré-amplificação, polarização em tensão contínua e filtragem analógica, sendo adquirido pelo conversor analógico-digital do ESP32 e posteriormente analisado em ambiente computacional externo. Foram aplicadas rotinas de processamento em Python, incluindo remoção da componente contínua, cálculo do valor RMS, identificação de quedas abruptas para 0 V, análise espectral por Transformada Rápida de Fourier e classificação preliminar dos estados do sistema. Os resultados experimentais evidenciaram limitações relacionadas à baixa amplitude do sinal vibracional, elevada impedância do sensor piezoelétrico, ruídos elétricos, saturações transitórias, influência de impactos mecânicos e instabilidades do ponto de polarização. Verificou-se que métricas como RMS e FFT, quando utilizadas isoladamente, não foram suficientes para caracterizar de forma robusta eventos associados a vazamentos, sendo necessária sua interpretação conjunta com parâmetros como tensão pico a pico, ocorrência e duração de quedas de tensão para 0 V, presença de vazão e validade do bloco adquirido. Conclui-se que o sistema desenvolvido permitiu validar a arquitetura de aquisição, condicionamento e análise dos sinais, além de identificar limitações práticas relevantes para a aplicação de sensores piezoelétricos em tubulações residenciais. Embora a detecção automática robusta de vazamentos não tenha sido plenamente consolidada nesta etapa, o trabalho estabelece uma base experimental importante para futuras melhorias no condicionamento analógico, no acoplamento mecânico dos sensores, na calibração do sistema e na implementação de algoritmos embarcados de detecção inteligente.

Water waste in residential hydraulic installations represents a relevant economic, environmental, and structural problem, especially when associated with leaks that are difficult to identify visually. In this context, this work aimed to develop and experimentally evaluate a residential hydraulic leak monitoring system using low-cost sensors, an ESP32 microcontroller, and digital signal acquisition and processing techniques. The proposed approach was based on multimodal architecture, integrating piezoelectric sensors, used to capture mechanical vibrations in the pipe, and Halleffect flow sensors, used to measure hydraulic flow. For the experimental tests, a reduced-scale hydraulic test bench was built using PVC pipes and adjustable leak modules. The signal generated by the piezoelectric sensor was conditioned through pre-amplification, DC biasing, and analog filtering circuits, acquired by the ESP32 analog-to-digital converter, and subsequently analyzed in an external computational environment. Python processing routines were applied, including DC component removal, RMS calculation, detection of abrupt drops to 0 V, Fast Fourier Transform analysis, and preliminary classification of system states. The experimental results revealed limitations related to the low amplitude of the vibrational signal, the high impedance of the piezoelectric sensor, electrical noise, transient saturation, the influence of mechanical impacts, and instabilities in the bias point. It was found that metrics such as RMS and FFT, when used individually, were not sufficient to robustly characterize events associated with leaks, requiring joint interpretation with parameters such as peak-to-peak voltage, occurrence and duration of drops to 0 V, flow presence, and acquisition block validity. It is concluded that the developed system made it possible to validate the signal acquisition, conditioning, and analysis architecture, while identifying relevant practical limitations for the application of piezoelectric sensors in residential piping. Although robust automatic leak detection was not fully consolidated at this stage, this work establishes an important experimental basis for future improvements in analog conditioning, sensor mechanical coupling, system calibration, and embedded intelligent detection algorithms.