UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE ENGENHARIA CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA LAÍS MONIQUE MENDES SALLES DESENVOLVIMENTO DE UM DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO DE RUÍDO COM BASE NO SISTEMA OpenWrt Ilha Solteira 2017 LAÍS MONIQUE MENDES SALLES DESENVOLVIMENTO DE UM DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO DE RUÍDO COM BASE NO SISTEMA OpenWrt Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Ilha Solteira - UNESP como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Especialidade: Mecânica dos Sólidos. Prof. Dr. JOÃO ANTÔNIO PERREIRA Orientador Ilha Solteira 2017 DEDICO Ao meu pai Valentim Salles e a minha mãe Claudinéia Fernandes Mendes Salles, que sempre me apoiaram com muito carinho, orações e amor. AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradeço a Deus por me dar forças para enfrentar essa jornada e as dificuldades que tive ao longo do tempo. Agradeço imensamente ao meu pai, Valentim; a minha mãe, Claudinéia; e ao meu irmão Lucas, pelo apoio, confiança, orações, amor e carinho que me ajudaram a chegar até o final. Agradeço os professores e técnicos da instituição pela dedicação e conhecimento prestado. Principalmente, o meu orientador, João Antônio Perreira pela compreensão, paciência, dedicação e aconselhamentos não só acadêmicos, mas de vida. Agradeço a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Fundação CAPES) que financiou a realização desse projeto por 24 meses, a Fundação de Ensino, Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira (FEPISA) pela contribuição financeira e ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (PPGEM) pelo apoio administrativo. Agradeço aos amigos que aqui fiz, que me apoiaram desde o princípio: as meninas da república DNA e a família Brauna que me abrigaram nas primeiras semanas; a todos os moradores do Ilhéus CCX, que se tornaram uma família e grandes amigos que sempre vou levar comigo, em especial Camilo Volpe, Jorge Eduardo, Felipe Coleone, Matthias Zerza, Lumena Besson, Tiago Torres, Rafael Assumpção, Rafael Mattei e Rômulo Rodrigues; aos amigos do PPGEM pela cumplicidade e ajuda nas atividades desse projeto, em especial João Antônio Mastrangi, Camilo Carranza, Daniel Obata e Luis Gustavo Villani; e ao grupo Denúncia, em especial Amanda Silva, Eduardo Bonfá, Heitor Barradas, Luan Leite e Ricardo Gonçalves, pela forte amizade criada, pelas aventuras e histórias que fizeram a trajetória mais feliz e amena, os quais se tornaram amigos para vida toda. Agradeço a família MGT, principalmente ao sensei Glauco Almeida pelo carinho e confiança. Agradeço aos amigos Cinthia Lisbôa, Fernanda Buainain, Isabela Ervolino, Naiara Salvatierre, Naiara Mendes, Rafael Neves e Patrícia Umeda pelo companheirismo, conselhos e confidencias neste período e em toda a vida, e por me lembrarem que eu sou capaz sempre. RESUMO O presente trabalho tem como proposta o desenvolvimento de um dispositivo de medição de ruído utilizando componentes e dispositivos eletroeletrônicos de baixo custo para uso no monitoramento de ruído em ambientes de trabalho. No desenvolvimento e implementação do sistema de medição foram estudas duas proposta de dispositivos, uma com base na plataforma Arduino e outra com base no sistema OpenWrt em conjunto com um roteador. Os circuitos de captação do ruído foram desenvolvidos com base em circuitos de captação de sinais já existentes, identificando o que melhor se adaptou a proposta. O sistema de medição contempla ainda a proposta de operação remota, por meio da telemetria, de forma que o operador possa controlar as medições sem estar no local. Para isso, foi utilizado um módulo Wireless no Arduino e o próprio roteador usado sistema OpenWrt. Os dispositivos de medição propostos podem ser usados tanto para o monitoramento do ruído, como para o registro dos níveis de ruído de forma continua ou em intervalos de tempo predefinidos, possibilitando assim, a obtenção do histórico do ambiente. Para avaliação de desempenho dos dispositivos foi utilizado um sistema de medição de ruído comercial e as especificações e requisitos de normas técnicas. Os resultados mostraram que o dispositivo implementado com base no sistema OpenWrt apresentou um melhor desempenho, principalmente, em relação sua taxa de amostragem que é maior, não necessitando ajustes e a busca de soluções para aumentar da taxa de amostragem verificados no Arduino. Palavra-chave: Dispositivo de medição de ruído. Nível de pressão sonora. Arduino. Sistema OpenWrt. ABSTRACT The present work proposes the development of a noise measurement device, using components and electronic devices of low cost for use in the monitoring of noise in work environments. In the implementation of the measuring system were studied two proposals of devices one based on the platform Arduino and another based on the OpenWrt system together with a router. The noise pickup circuits were developed based on existing signal pickup circuits, identifying what best suited the proposal. The measurement system also contemplates the proposal of remote operation, by telemetry, so that the operator can control the measurements without being in place. For this, a wireless module was used in the Arduino and the router itself in the OpenWrt system. The proposed devices can be used both for noise monitoring and recording of noise levels continuously or at predefined time intervals, thus enabling the achievement of environmental history. For performance evaluation of the devices a commercial noise measurement system was used and the specifications and requirements of technical standards. The results showed that the system implemented based on the OpenWrt system presented a better performance, mainly in relation to its sampling rate that is higher, requiring no adjustments and the search for solutions to increase the sampling rate verified in the Arduino. Keywords: Noise sensor. Sound pressure level. Arduino. OpenWrt system. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Estruturação da placa Arduino Uno...............................................................22 Figura 2 - Roteador portátil: TP-Link: TL-MR3020......................................................25 Figura 3 - Representação gráfica de um sinal sonoro.....................................................30 Figura 4 - Representação gráfica de um sinal analógico................................................32 Figura 5 - Representação gráfica de um sinal digital.....................................................32 Figura 6 - Anatomia do ouvido humano.........................................................................35 Figura 7 - Representação gráfica de curvas isoaudíveis.................................................37 Figura 8 - Curvas de ponderação A, B, C e D................................................................38 Figura 9 - Fluxograma do dispositivo de medição desenvolvido...................................44 Figura 10 - Sensor de som KY-038................................................................................45 Figura 11 - Microfone de eletreto Panasonic WM-55A.................................................46 Figura 12 - Microfone dinâmico, MIC-100....................................................................47 Figura 13 - Circuito de amplificador/compensador........................................................48 Figura 14 - Dispositivo baseado no Artduino.................................................................51 Figura 15 - Rede Xbee....................................................................................................53 Figura 16 - Dispositivo baseado no OpenWrt................................................................54 Figura 17 - Interface PuTTy de configuração.................................................................55 Figura 18 - Área de acesso ao OpenWrt pelo PuTTy.....................................................55 Figura 19 - Teste com osciloscópio no sistema OpenWrt..............................................57 Figura 20 - Interface gráfica do dispositivo de medição de ruído..................................60 Figura 21 - Filtro de ponderação A em escala Decibel..................................................61 Figura 22 - Nível de pressão sonora de Lanman............................................................63 Figura 23 - Nível de pressão sonora do dispositivo desenvolvido.................................64 Figura 24 - Bancada utilizada para obtenção da constante de calibração do dipositivo.........................................................................................................................65 Figura 25 - Teste para determinação da constante C do dispositivo baseado em Arduino............................................................................................................................66 Figura 26 - Teste para determinação da constante C o dispositivo baseado no OpenWrt...........................................................................................................................67 Figura 27 - Comparação do sistema comercial e do dispositivo baseado em Arduino para uma frequência de 100 Hz.......................................................................................69 Figura 28 - Comparação do sistema comercial e do dispositivo baseado em Arduino para uma frequência de 500 Hz.......... ............................................................................69 Figura 29 - Comparação do sistema comercial e do dispositivo baseado em Arduino para uma frequência de 1000 Hz.....................................................................................70 Figura 30 - Comparação do sistema comercial e do dispositivo baseado em Arduino para o sinal de ruído de um caminhão de lixo em funcionamento.................................................................................................................70 Figura 31 - Comparação do sistema comercial e do dispositivo baseado em OpenWrt para uma frequência de 100 Hz.......................................................................................72 Figura 32 - Comparação do sistema comercial e do dispositivo baseado em OpenWrt para uma frequência de 500 Hz.......................................................................................72 Figura 33 - Comparação do sistema comercial e do dispositivo baseado em OpenWrt para uma frequência de 1000 Hz.....................................................................................73 Figura 34 - Comparação do sistema comercial e do dispositivo baseado em OpenWrt para o sinal de ruído de um caminhão de lixo em funcionamento.................................................................................................................73 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Custos dos dispositivos de medição de ruído................................................58 Tabela 1 - Medidas obtidas nos testes com o dispositivo desenvolvido com o Arduino e o sistema comercial Solo Black.......................................................................................71 Tabela 2 - Medidas obtidas nos testes com o dispositivo desenvolvido com o OpenWrt e o sistema comercial Solo Black....................................................................................74 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AC Corrente Alternada A/D Analógica-digital D/A Digital-analógica CC Corrente Contínua CONTRAN Conselho Nacional de Trânsito DC Corrente Direta EPI Equipamento de Proteção Individual EPROM Erasable Programmable Read Only Memory EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory GCC GNU Compiler Collection GND Graduated Neutral Density Filter ICMP Internet Control Message Protocol ICSP In-Circuit Serial Programming IDE Arduino Integrated Development Environment IEC Comissão Eletrotécnica Internacional IP Internet Protocol LCD Display de Cristal Líquido LED Diodo Emissor de Luz NBR Normas Brasileiras NR Normas Regulamentadoras NPS Nível de Pressão Sonora MVC Model Viem Controller PROM Programmable Read Only Memory RBC Rede Brasileira de Calibração https://pt.wikipedia.org/wiki/EPROM https://pt.wikipedia.org/wiki/EEPROM https://pt.wikipedia.org/wiki/PROM RFC Request for Comments RISC Reduced Instruction Set Computer RMS Medida Global Simples ROM Read Only Memory SSH Secure Shell TCP Transmission Control Protocol USB Universal Serial Bus https://pt.wikipedia.org/wiki/ROM LISTA DE SÍMBOLOS dB Decibel dB(A) Decibel na ponderação A X(t) Sinal de entrada P(t) Pressão sonora T Tempo P Pascal Pref Pressão sonora de referência D Dose diária de ruído Ci Tempo real de exposição a um nível de pressão sonora Ti Tempo total permitido a um nível de pressão sonora Leq Nível sonoro equivalente 𝑅 Resistência de realimentação 𝑉𝑠𝑎í𝑑𝑎 Amplitude do sinal de saída 𝑉𝑒𝑛𝑡 Amplitude do sinal de entrada 𝑓𝑠 Frequência de amostragem N Comprimento da sequência Δ𝑡 Intervalo de observação ∆𝑓 Resolução da frequência C Constante de calibração 𝜀𝑥 Energia do sinal 𝑋[𝐾] Frequência da amostra 𝛼𝐴(𝑓) Filtro de ponderação A SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 14 1.1 OBJETIVO ............................................................................................................ 19 1.1.1 Objetivo Geral ..................................................................................................... 19 1.1.2 Objetivos Específicos ........................................................................................... 19 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO .................................................................... 20 2 PLATAFORMA ARDUINO E SISTEMA OPENWRT EM ROTEADORES ............................................................................................................................... 21 2.1 PLATAFORMA ARDUINO ................................................................................ 21 2.2 SISTEMA OPENWRT EM ROTEADORES ....................................................... 24 3 CONCEITOS BÁSICOS DE PROCESSAMENTO DE SINAIS E MEDIDAS DE RUÍDO .................................................................................................................. 30 3.1 PROCESSAMENTO DE SINAIS ........................................................................ 30 3.2 CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL ............................................................ 32 3.3 CONCEITOS DE SOM E RUÍDO ....................................................................... 33 3.4 O SOM E OS SERES HUMANOS ...................................................................... 34 3.4.1 O Ouvido Humano .............................................................................................. 35 3.4.2 Curvas Audiometricas ........................................................................................ 36 3.5 MEDIDOR DE NÍVEL DE PRESSÃO SONORO .............................................. 39 4 DESENVOLVIMENTO E MONTAGEM DO DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO DE RUÍDO ...................................................................................... 41 4.1 METODOLOGIA ................................................................................................. 41 4.2 MICROFONES ..................................................................................................... 44 4.2.1 Circuito Amplificador/Condensador ................................................................. 47 4.3 DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO COM BASE NA PLATAFORMA ARDUINO 50 4.4 DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO COM BASE NO OPENWRT ............................ 53 4.5 CUSTOS DOS COMPONENTES DOS DOIS DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO . 57 5 AVALIAÇÃO DO DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO DE RUIDO .................... 59 5.1 INTERFACE GRÁFICA - AMBIENTE MATLAB ............................................ 59 5.2 TESTE DE VALIDAÇÃO DO CODIGO IMPLEMENTADO ........................... 63 5.3 DETERMINAÇÃO DA CONSTANTE DE CALIBRAÇÃO C .......................... 64 5.3 MEDIÇÃO DE SINAIS DE TOM PURO E O RUIDO PRODUZIDOS POR UM GERADOR DE SINAL ........................................................................................ 68 6 CONCLUSÃO ..................................................................................................... 76 REFERENCIAS .................................................................................................. 78 14 1 INTRODUÇÃO A audição é de fundamental importância na vida do homem, ela permite o indivíduo perceber o mundo ao seu redor, trazendo várias sensações, como de alegria e prazer através de uma boa música ou os sons tranquilos e agradáveis da natureza, ou até mesmo sensações de irritação, como por exemplo, com o ruído/barulho de uma britadeira. Além disso, a audição é um importante meio de comunicação entre as pessoas que se dá a partir dos sons. Os sinais sonoros são ondas de pressão que possuem diversas utilidades no cotidiano do homem, por exemplo: comunicação entre as pessoas, alerta de perigo, sinais de alarmes, entre outros. Apesar de todas as qualidades do som, em determinados momentos ele pode incomodar, quando isso acontece passa a ser chamado de ruído. O ruído no senso comum é qualquer barulho indesejado, já para eletrônica qualquer corrente elétrica ou tensão indesejada observado na medição de um sinal elétrico. O incômodo causado pelo ruído pode variar de pessoa para pessoa, além disso, também existem outros fatores que influenciam esse efeito, como o local, o tempo de exposição e etc. Por exemplo, o ronco do motor de um carro de corrida provavelmente soa como música para o ouvido de um piloto, porém para uma pessoa que está próxima e não gosta de corridas pode soar como um ruído irritante. O ruído também pode ser útil como um indicador do bom funcionamento de maquinas e equipamentos os quais possuem um dado ruído característico, caso ocorra alguma alteração do ruído, essa alteração pode indicar um mau funcionamento e consequentemente, demandando eventual manutenção. O ruído está cada dia mais presente no cotidiano das pessoas, seja em locais abertos ou fechados o ruído incomoda, o ruído do tráfego de veículos nas ruas, o ruído dos aeroportos, o ruído na indústria e ambientes de trabalho em geral é um problema. O estudo do ruído e efeitos acústicos vêm aumentando consideravelmente, principalmente porque as novas demandas e exigências desejam projetos de ambientes cada vez mais silenciosos e confortáveis para o homem. O primeiro relato de estudo de acústica começou já com Pitágoras, há cerca de 2.500 anos atrás, onde ele estudou intervalos musicais e suas relações. Também há passagens bíblicas que comprovam a utilização de conhecimentos acústicos naquela época. Na época também havia relatos de poluição sonora, gerados pelas cataratas do Rio Nilo. O som gerado por elas deixavam alguns moradores da região surdos. 15 No início de século XX, a preocupação acústica era com o som dos teatros e a acessibilidade das vozes dos atores, o que estimulou o estudo da acústica arquitetônica. A partir dos anos 30 do século XX, surgiram vários ramos da acústica: a Acústica Fisiológica, a Psicoacústica, a Acústica Médica e a Acústica Arquitetônica. Fletcher e Munson apud Nepomuceno (1994), realizaram estudos sobre a sensibilidade do sistema auditivo com relação as várias frequências audíveis, que geraram as Curvas Isoaudíveis, as quais são utilizadas para equalizar, através de uma ponderação, sons e ruídos nas várias frequências, ilustrando sua equivalência em relação à percepção auditiva pelo ouvido humano. O processo de industrialização a partir dos anos 50 do século passado aumentou fortemente, trazendo consigo o aumento populacional das grandes cidades e como consequência, o aumento dos problemas sócios ambientais. Assim como os outros tipos de poluição (poluição do ar, do solo e da água), a poluição sonora, causada pela indústria, agricultura mecanizada, o fluxo de movimentação e atividades nas grandes cidades afetam a qualidade de vida das pessoas. O ruído assim como qualquer outro sinal sonoro é o efeito de uma variação na pressão de um determinado meio elástico. Quando essa variação é muito grande ela pode, inclusive, causar grandes danos, comprometer a estrutura de um imóvel, danificar componentes de um sistema, mas de forma geral o pior dano causado pelo ruído é prejudicar o aparelho auditivo do ser humano, o ouvido. Para impedir os danos causados pelo ruído é preciso conhecer e medir o ruído. Pensando nisso há leis de controle de ruído, como a Lei das Contravenções Penais, no artigo 42, a qual prevê que perturbar alguém, o trabalho ou o sossego alheio, por meio do uso excessivo de instrumentos sonoros ou sinais acústicos, ocasiona a pena de prisão de 15 dias a 3 meses, ou multa. Ainda no Código de Trânsito Brasileiro, no artigo 228, é estabelecido que utilizar no veículo equipamento de som com volume ou frequência não autorizadas pelo CONTRAN (Conselho Nacional de Trânsito) é infração grave, com multa e retenção do veículo para regularização. Além da preocupação com o bem estar da população, ainda existe outra preocupação social em relação ao ruído. É a preocupação com a saúde e a segurança no trabalho, o ruído pode ser um grande vilão na vida profissional de um trabalhador. O ruído é considerado como um dos maiores problemas de poluição ambiental, despertando assim cada dia mais o interesse por estudos e projetos na área de acústica (SOUZA, 2012). No Brasil, a poluição sonora industrial tem crescido muito nas últimas décadas, causando gravíssimos prejuízos físicos e psicológicos ao homem e abalando o meio ambiente sonoro (MACHADO, 2001). Pensando em garantir o cuidado com a ergonomia do 16 trabalhador o país criou as Normas Regulamentadoras (NR), criadas pela Ministério do Trabalho e Emprego, de caráter obrigatória e as Normas Brasileiras (NBR) estabelecidas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), de caráter voluntário e fundamentada no consenso da sociedade. Neste contexto existem vários problemas que afetam a saúde e segurança do trabalhador, de acordo com a NR 15 – Atividades de Operações Insalubres, a exposição ao ruído é um deles. De acordo com as normas e regulamentação dos órgãos competentes, uma empresa deve garantir que o seu trabalhador não será exposto a um nível de ruído maior que o limite de tolerância estabelecido por normas durante a sua vida laboral. A norma NR-15 estabelece os valores máximos de exposição diária permitida para um determinado nível de ruído. O ruído não só interfere na qualidade do trabalho, podendo gerar até mesmo a perda da audição, como tem a capacidade de aumentar a carga de trabalho global de um trabalhador durante uma determinada tarefa e assim afetar o seu desempenho (AYBEK; KAMER; ARSLAN, 2010). Segundo Fernández et al. (2009), os trabalhadores que são expostos à ambientes com níveis de ruído superiores a 85 dBA podem adquirir doenças como nódulos, perca da voz e problemas nas cordas vocais causadas pela tentativa de se comunicar. Além de mascarar a fala, o ruído pode afetar os sons de alarme, prejudicando a comunicação geral no ambiente laboral (NOWEIR; ZYTOON, 2013). Por tanto, controlar, medir e conhecer o nível de ruído que o trabalhador está exposto no seu ambiente de trabalho é fundamental para melhorar ou manter a eficiência e a saúde no ambiente de trabalho. Por lei uma empresa deve fornecer pleno cumprimento à legislação vigente, a qual exige a elaboração de programa de saúde ocupacional relacionado ao controle dos riscos físicos, químicos, biológicos e ergonômicos, dentre eles está o ruído. O que torna necessário e urgente que as empresas adotem um Sistema de Gestão de Ruído Ocupacional para atender a todas as exigências estabelecidas pelo Ministério do Trabalho e Emprego (Portaria nº 3214 de 08 de junho de 1978; NR1; NR6; NR7; NR9: NR15; NR17), bem como gerenciar, de forma integrada, todos os procedimentos e subprogramas decorrentes. O ruído excessivo em um ambiente laboral é grave, o trabalhador que é exposto todos os dias, por um tempo considerável ao ruído, possivelmente se torna estressado, além disso, o ruído pode dificultar a comunicação entre os trabalhadores do ambiente, prejudicando o rendimento do trabalho e tornando o ambiente de trabalho bastante 17 cansativo. Ainda há a questão de cumprimento das leis e normas de saúde e segurança do trabalho, o seu não cumprimento pode ocasionar ações orientadas, corretivas e/ou multas por violação da legislação ou até mesmo interrupção das atividades da empresa. Para garantir a saúde do trabalhador com relação ao ruído, as empresas devem monitorar e controlar o ruído no ambiente, para isso é necessário medir e mapear os locais mais ruidosos do ambiente o que permitiria monitorar o tempo de exposição dos funcionários ao ruído. Monitorando o ambiente, as empresas podem gerenciar melhor os efeitos do ruído na saúde do trabalhador e ainda, a partir do histórico dos níveis de ruídos gerados, estabelecer ações e melhorias para mitigar os seus efeitos. Para a medição do ruído as normas exigem equipamentos com características especificas e certificados. Isso acaba dificultando o acesso a esse tipo de equipamento para empresas de pequeno porte ou até mesmo empresas maiores que tenham uma restrição de investimento nesse tipo de equipamento. Muitas empresas optam por contratar empresas especializadas para medir os níveis de ruído de tempos em tempos, ao invés de monitorar e acompanhar a evolução dos ruídos do local e estabelecer uma política de gestão do ruído. Este trabalho de pesquisa tem como proposta desenvolver um dispositivo de medição de ruído utilizando componentes e dispositivos eletroeletrônicos de baixo custo que possa ser instalado e utilizado para o monitoramento contínuo do ruído nos diferentes ambientes de trabalho. Desta forma a empresa poderia realizar o monitoramento e o registro dos níveis de ruído do ambiente de forma contínua ou em intervalos de tempo definidos, possibilitando o histórico e a definição de comparativos, a fim de estabelecer o acompanhamento das condições acústicas do ambiente. Isso facilitaria a tomada de decisões quanto ao uso de aparelho de proteção, a necessidade de reduzir o tempo de exposição do trabalhador à determinado local ou até mesmo uma melhora na acústica arquitetônica do local. Ou seja, a empresa teria condições de avaliar a melhor atitude a se tomar para mitigar os problemas com ruído, podendo assim obter um Sistema de Gestão de Ruído Ocupacional eficiente. No levantamento bibliográfico realizado envolvendo a análise de diferentes trabalhos relacionados com o conforto acústico, principalmente, de ambientes fechados, foram encontrados poucos trabalhos sobre sistemas alternativos de medição ruído. No trabalho de Setúbal (2008) é apresentado o desenvolvimento de eu um sistema de medição com baixo custo, o qual indica nível baixo, médio e alto de ruído, através de luzes. No caso a luz verde indica um nível baixo de ruído, a luz amarela indica um nível médio de 18 ruído e a luz vermelha indica um nível alto de ruído. A indicação qualitativa do nível de ruído é importante, entretanto, não permite conhecer o nível de ruído exato que a pessoa está exposta, o que dificulta a definição do tempo de exposição da pessoa ao ruído. Por exemplo, se o ruído é de 100 dB, o indivíduo pode permanecer no local por até 1 hora, já se o ruído é de 102 dB, o mesmo pode permanecer até 45 minutos. No ambiente de trabalho, é interessante conhecer o nível exato do ruído e não somente se é um nível baixo, médio ou alto, pois assim, a empresa teria subsídios para definir melhor atitude a ser tomada: diminuir o tempo de exposição, utilizar EPIs ou atuar diretamente para reduzir o ruído. No levantamento bibliográfico também foram encontrados aplicativos de celular que realizam medição de ruído, um deles foi o Noisetube, o qual é um aplicativo bastante interessante usado para medir o ruído urbano (NOISETUBE, 2015). É um projeto de pesquisa iniciado em 2008 na Science Lab Sony Computer em Paris e atualmente mantido pelo Laboratório de Software Idiomas na Vrije Universiteit Brussel com o intuito de verificar o nível de ruído das cidades. Porém o uso de celular não é um dispositivo ideal para o uso no ambiente industrial, visto que muitas indústrias proíbem o uso de celulares. Além disso, o sensor utilizado em celulares não costumam ter um bom desempenho em medições em bandas de frequências muito baixas ou muito altas. Neste contexto, esse trabalho se justifica pela necessidade de desenvolvimento de um sistema de medição de ruído com nível de exatidão compatível para uso em ambiente industrial que seja de custo acessível. Seja capaz de realizar um monitoramento contínuo do ambiente, possibilitando o armazenamento das medições e a definição dos históricos de ruído. Por fim, o trabalho traz ainda uma proposta de operação remota do dispositivo de medição, por meio da telemetria, em que o operador pode controlar as medições sem a necessidade de se estar no local. Neste caso, o usuário poderia monitorar e acompanhar, através de um computador, os níveis de ruído nos locais mais críticos, avaliar e gerenciar os níveis de ruído no ambiente visando estabelecer diretrizes para definição da estratégia de gestão do ruído ocupacional da empresa. A proposta do trabalho, conforme apresentado anteriormente, é o desenvolvimento de um sistema de medição que contempla a proposta de operação remota, por meio da telemetria, de forma que o operador possa controlar as medições sem estar no local. Duas propostas de dispositivo foram discutidas e avaliadas, uma com base na plataforma Arduino e outra com base no uso do sistema Openwrt operando conjuntamente com um roteador que é utilizado para o gerenciamento e controle dos 19 microfones e sistema de armazenamento de dados. Na primeira proposta os componentes utilizados foram o Arduino, o módulo Wireless e um computador para o armazenamento e leitura dos dados. Já na segunda proposta foi utilizado um roteador com o sistema OpenWrt, um pen drive que é utilizado como uma extensão da memória do roteador (memória ROM) e um computador para armazenamento e processamento dos dados. Além da plataforma Arduino e do sistema Openwrt, foram utilizados e/ou adaptados códigos, bibliotecas e procedimentos disponibilizados pelos fabricantes e desenvolvedores destas duas plataformas. Os sites do Arduino (ARDUINO, 2017) e do Openwrt (OPENWRT, 2017) foram fontes de consultas permanentes no desenvolvimento do trabalho. Para o uso do roteador como dispositivo de telemetria do sistema de medição foi necessário alterar o sistema operacional do roteador, programando-o para fazer as novas operações de interesse. Já no módulo Wireless não foram necessárias alterações, bastou conectar o módulo no microcontrolador Arduino. 1.1 OBJETIVO 1.1.1 Objetivo Geral O objetivo do presente trabalho é desenvolver um dispositivo de medição utilizando componentes eletros eletrônicos de baixo custo para monitoramento de ruído em ambiente de trabalho, com uma proposta de operação remota por meio da telemetria, capaz de medir os níveis de ruído, bem como, armazenar os dados coletados. 1.1.2 Objetivos Específicos a) Utilizar dispositivos eletrônicos e eletroacústicos de baixo custo para o desenvolvimento do dispositivo de medição do nível de ruído; b) Utilizar dispositivos eletrônicos convencionais para realizar o armazenamento dos dados coletados, a fim de se obter o histórico do ambiente; c) Discutir a utilização de dispositivos eletrônicos tipo roteador para operação remota do dispositivo de medição por telemetria. 20 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO O presente trabalho foi divido em 6 capítulos. No primeiro capítulo é apresentada uma breve introdução do tema proposto, assim como sua justificativa, objetivos e organização. No segundo capítulo é explicada a plataforma Arduino, assim como o sistema OpenWrt utilizado em roteadores que será utilizado na montagem do dispositivo de medição. Já no terceiro capítulo são discutidos os conceitos básicos de processamentos de sinais, em seguida são discutidos os conceitos de som e ruído, o funcionamento do ouvido humano e a relação do som com os seres humanos, nível de pressão sonora e medidor de nível de pressão sonora. No quarto capítulo é relatado o desenvolvimento e implementação do dispositivo de medição de ruído. Primeiramente, é discutida a fase de captura do sinal de áudio, depois é apresentada uma discussão a respeito dos microfones utilizados e por fim o procedimento de cálculos e o desenvolvimento da interface gráfico. No quinto capítulo é feita a avaliação do sistema medição utilizando dados de simulação, dados experimentais e finalmente é feita uma comparação com um sistema comercial. Finalizando, no sexto capítulo é apresentada a conclusão do trabalho. 21 2 PLATAFORMA ARDUINO E SISTEMA OPENWRT EM ROTEADORES Neste capítulo é discutido o funcionamento da plataforma Arduino e o sistema OpenWrt utilizado em roteadores. Ambos são a base eletrônica para o desenvolvimento do presente trabalho. 2.1 PLATAFORMA ARDUINO O Arduino foi criado pelo professor Massimo Banzi, em 2005 no Interaction Design Institute na cidade de Ivrea, na Itália. Banzi buscava uma alternativa barata e fácil para os alunos de design conseguissem trabalhar com tecnologia. O Arduino surgiu em uma conversa com David Cuartielles, pesquisador da Universidade de Malmö, na Suécia, o qual também buscava uma solução para tal problema. Juntos foram capazes de desenvolver um microcontrolador mais barato e mais simples de manusear do que os produtos já existentes no mercado, facilitando o trabalho dos estudantes de arte e design. A placa foi desenhada por David Cuartielles e o software foi programado por David Mellis; o engenheiro, Gianluca Martino, também participou do projeto, produzindo um lote inicial de duzentas placas. O Arduino é uma plataforma de prototipagem de código aberto com base em hardware e software de fácil uso. O hardware é formado por um processador e suporte embutido de entrada/saída. O software consiste de uma linguagem de programação padrão e do bootloader que inicia o sistema operacional da placa (MCROBERTS, 2011). Em outras palavras o Arduino é um microcontrolador que pode ser programado para processar entradas e saídas entre dispositivos externos conectados a ele. É uma plataforma de computação física, ou seja, um sistema que pode interagir com o ambiente por meio de hardware e software. Este microcontrolador foi criado para atender as necessidades de designer e artistas, porém a sua popularidade foi tão grande que atualmente é utilizado por estudantes, amadores, programadores e profissionais. O Arduino é formado por um elemento de hardware, a placa Arduino; e um elemento de software realizado no computador, o ambiente de desenvolvimento integrado do Arduino. De acordo com Banzi e Shiloh (2015, p. 21) 22 A filosofia do Arduino concentra-se em desenvolver projetos, e não em falar sobre eles. Ela representa uma busca constante por meios mais rápidos e poderosos de criarmos protótipos melhores. Exploramos muitas técnicas de prototipagem e desenvolvemos formas de pensar cada vez mais práticas. A placa Arduino nada mais é que um circuito de pequeno porte constituído de uma placa microcontroladora. Existem alguns modelos de placas, todas baseadas em um microprocessador de 8 bits Atmel AVR reduced instruction set computer (RISC). A primeira placa criada possuía um microprocessador ATmega8 com uma velocidade de clock de 16 MHz e memória flash de 8 KB. Neste trabalho foi utilizada a placa Arduino Uno, de acordo com Evans, Noble e Hochenbaum (2013), ela é a melhor placa para começar a trabalhar com eletrônica e codificação. É a placa recomendada para um primeiro contato com a plataforma, sendo a placa mais robusta para se começar a manusear. O Uno é uma placa de microcontrolador baseado no ATmega328P. Possui 14 pinos digitais de entrada/saída, 6 entradas analógicas, um cristal de quartzo 16 MHz, uma conexão USB, um conector de alimentação, um conector ICSP e um botão de reiniciar. Ela contém tudo o que é necessário para dar suporte ao microcontrolador; basta conectá-la a um computador por meio de cabo USB ou ligá-la com um adaptador de corrente alternada-corrente contínua (AC-CC) ou bateria para começar. A Figura 1a ilustra uma placa oficial do Arduino Uno e enquanto a Figura 1b mostra a anatomia da placa. Figura 1 - Estruturação da placa Arduino Uno (a) Interface física da placa Arduino Uno (b) Anatomia da placa Arduino Uno Fonte: Site oficial do Arduino Fonte: Monk (2015) A placa Arduino é somente um conjunto de componentes, para a plataforma Arduino realizar algum trabalho é necessário o Arduino Integrated Development 23 Environment (IDE) do Arduino. O IDE é o Ambiente de Desenvolvimento Integrado do Arduino que possui tudo que é preciso para programa-lo, ele ainda possui diversos exemplos de programas que explicam como conectar e comunicar com alguns dispositivos, como LEDs, LCDs e sensores. O IDE é um programa de computador que permite a execução de códigos para o Arduino em uma linguagem simples criada a partir da linguagem Processing, encontrada no endereço https://www.processing.org. O código desenvolvido é transcrito para a linguagem C e transmitido para o compilador avr-gcc, que é um software de código aberto que transcreve o código para uma linguagem que o Arduino é capaz de executar. O software para o Arduino, é um código aberto e pode ser baixado gratuitamente do endereço http://Arduino.cc/en/Main/Software. No site há versões do IDE para Windows, Mac OS X e Linux. A familiarização com IDE é fundamental para se escrever um código. Um bloco de códigos, no universo do Arduino, é chamado de sketch, o qual disponibiliza ao Arduino uma lista de instruções que esboça a atividade para a plataforma. O IDE facilita a criação de projetos no Arduino, minimizando sua complexidade. De acordo com Banzi e Shiloh (2015), qualquer projeto construído utilizando o Arduino segue um padrão, o chamado dispositivo interativo. Este dispositivo é um circuito eletrônico capaz de detectar o ambiente que lhe cerca por meio de sensores. Para processar a informação recebida dos sensores o dispositivo utiliza um procedimento que é descrito no software. O dispositivo ainda pode interagir com o mundo por meio de atuadores. Sensores e atuadores são transdutores que convertem um dado físicos ou químicos (GARCIA, 2005). Tooley (2007) explica que os sensores são dispositivos sensíveis a uma dada variável de interesse que a converte em uma outra variável física, geralmente, uma variável elétrica. São utilizados para gerar um sinal de entrada para um sistema de medição, instrumento ou um sistema de controle (temperatura, pressão, velocidade, etc.) que possui a capacidade de fornecer uma saída mensurável dessa variável. No caso do Arduino um sensor é uma entrada física para o circuito. Já Vahid (2008) afirma que atuadores são dispositivos usados para converter um sinal elétrico na forma de fenômeno físico. No Arduino, um atuador realiza uma ação, ao invés de reagir a algum elemento do ambiente, ele é uma saída física do circuito. Por exemplo, um LED converte a corrente elétrica em luz, um alto-falante converte a corrente elétrica em som. 24 Para utilização da plataforma é interessante entender como funciona o código computacional do Arduino. Primeiramente é necessário explicar que a placa possui diversos conectores, usados para ligar sensores e atuadores. Estes conectores são divididos em pinos de entrada digital, entrada analógica, saída digital e saída analógica. As entradas digitais permitem ler as informações dos sensores, enquanto que as saídas digitais permitem controlar os atuadores. Já os pinos de entrada analógica permitem a leitura de medidas de voltagem nos sensores e os pinos de saída analógica são capazes de fornecer saídas analógicas para os atuadores. Para que isso seja possível, deve-se especificar claramente a função de cada pino no sketch criado no IDE. Uma função muito interessante e importante da plataforma Arduino é a comunicação serial, com ela pode-se realizar a comunicação de um computador com a placa e realizar a troca de dados ou monitorar o que está ocorrendo no sketch executado, através de um cabo USB. O Arduino pode enviar informações utilizando código, assim como recebê-lo. Pode-se usar esta função para verificar se o Arduino está gerando os dados corretamente no formato desejado. O IDE tem a função de carregar o código, que nada mais é do que verificar o código, procurando se há algum erro e executando traduções para a converter o sketch para a linguagem C++, válido para o Arduino. Em seguida ele compila o código, ou seja, converte o código para uma forma que o Arduino compreende. Por fim, o arquivo final é combinado com as bibliotecas padrões do Arduino antes de ser carregado no hardware. Um aspecto importante a se ressaltar é que o Arduino também opera firmware. O firmware é bastante parecido com software, pois também se trata de um aplicativo que pode ser instalado em hardware. A diferença é que o firmware é instalado diretamente no circuito integrado de memória do hardware, no momento da fabricação, ou seja, é o sistema operacional dos equipamentos eletrônicos. Firmwares são instruções operacionais programadas no hardware de um equipamento eletrônico que pode ser armazenada permanentemente no circuito integrado de memória de hardware, como uma ROM, PROM, EPROM ou ainda EEPROM e memória flash. 2.2 SISTEMA OPENWRT EM ROTEADORES De acordo com o site do OpenWrt (2017), o sistema OpenWrt é uma interface que permite modificar o firmware de dispositivos, no caso deste trabalho, um roteador. Desta https://pt.wikipedia.org/wiki/Mem%C3%B3ria_(computador) https://pt.wikipedia.org/wiki/Hardware https://pt.wikipedia.org/wiki/ROM https://pt.wikipedia.org/wiki/PROM https://pt.wikipedia.org/wiki/EPROM https://pt.wikipedia.org/wiki/EEPROM https://pt.wikipedia.org/wiki/Mem%C3%B3ria_flash 25 forma, antes de qualquer aspecto mais avanço é necessário entender o funcionamento de um roteador. Segundo o dicionário Aurélio (2010), roteador é um dispositivo usado para realizar a comunicação entre diferentes redes de computadores. De acordo com Kozierok (2005) o roteador realiza o gerenciamento do tráfego de uma rede local, além disso, ele é capaz de controlar o acesso aos seus dado de acordo com as especificações do administrador da rede. Na Figura 2a é ilustrado o modelo de roteador utilizado no presente trabalho, que é o roteador portátil Wireless N 3G/4G da TP-Link:TL-MR3020 e já na Figura 2b é observado a composição eletrônica desse roteador. Figura 2 - Roteador portátil: TP-Link: TL-MR3020 (a) TP-Link: TL-MR3020 (b) Composição eletrônica do TL-MR3020 Fonte: Site Oficial TP-Link Fonte: Dados do próprio autor O roteador tem a função de transmitir pacotes de dados de um host (qualquer dispositivo de uma rede) para outro, de acordo com as especificações estabelecidas pelo administrador. Ou seja, ocorre um redirecionamento de portas de destino. Ainda vale ressaltar que cada host possui um endereço de IP, o qual é definido como a identificação para um dispositivo qualquer de uma rede Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) (KHOSRAVI; ANDERSON, 2003). Essa identificação possui formato de um endereço numérico de 32 bits escritos como 4 números, os chamados octetos, os quais são separados por pontos, como por exemplo 192.168.0.156. Cada octetos corresponde a 8 bits. Já a rede TCP/IP é um conjunto de protocolos de comunicação entre dispositivos de uma mesma rede. 26 Esse dispositivo utiliza cabeçalhos e uma tabela de roteamento para traçar o caminho que os pacotes de dados irão percorrer, buscando os melhores caminhos, sejam eles o mais curtos ou o menos congestionados. Tal dispositivo ainda utiliza o protocolo Internet Control Message Protocol (ICMP) para comunicar-se com os hosts e configurar a melhor rota entre eles. O cabeçalho, em várias disciplinas da ciência da computação, é definido como uma unidade de informação que antecede o objeto de dados de um pacote; ou seja, é no cabeçalho que está contida a informação sobre o destino do pacote utilizada pelo roteador (OPPENHEIMER, 2014). Já em relação ao ICMP, temos que ele é uma extensão do protocolo IP (Internet Protocol), sendo definido pela RFC 792, que é um documento que contém notas técnica e organizacionais sobre a internet. O ICMP suporta pacotes que contenham mensagens de erro, de controle e de informação. Existem dois tipos de roteamento: os estáticos e os dinâmicos. O roteamento estático é encontrado em equipamentos mais baratos que buscam caminhos mais curtos para realizar as transmissões. Já o roteamento dinâmico é encontrado em equipamentos mais sofisticados que fazem uma avaliação prévia das condições das redes, sendo capazes de priorizar os caminhos mais eficientes, ou seja mais curtos e menos congestionados por excesso de transmissão de dados. Ainda de acordo com Khosravi e Anderson (2003), existem três pontos a se considerar em relação a eficiência de um roteador: a) A velocidade de acesso que diferencia a velocidade da transmissão de dados que o roteador é capaz de atingir. Portanto, quanto maior a velocidade de acesso, mais rápido serão feita a transmissão de dados; b) O padrão de conectividade da rede sem fio, que tem a função de indicar a frequência da transmissão de dados entre dispositivo e o roteador, existem três padrões: 802.11b, 802.11g e 802.11n. O padrão mais utilizado é 802.11b que possui uma velocidade de máximo de 1 Mbps, com um alcance de máximo operacional de 100 metros em ambiente fechado e 180 metros em uma área aberta; c) O ganho da antena que é um indicador de alcance do sinal de transmissão de dados. Portanto, quanto maior a potência indicada pela antena, maior a área de amplitude alcançada pela rede. O roteador serve exatamente para o propósito da proposta de desenvolvimento deste trabalho, visto que o mesmo é um dispositivo criado para que o usuário utilize da telemetria. Além disso, o roteador possui um processador e um sistema operacional, se o 27 seu sistema operacional for alterado para o sistema OpenWrt é possível programar esse dispositivo para fazer o que se deseja e ainda utilizar a sua função Wirelless, isso graças a existência de um processador no dispositivo. Neste caso, a integração do dispositivo de medição com um computador poderia ser feita com o uso do roteador, possibilitaria a operação remota do dispositivo de medição de ruído seja instalado em local afastado. Com base nisso, a opção de uso do roteador juntamente como o sistema OpenWrt no desenvolvimento do trabalho se mostra bastante atrativa. O sistema OpenWrt do mesmo modo que a plataforma Arduino é uma prototipagem de código aberto, tendo seu software em uma linguagem de programação padrão, porém esse sistema não possui um hardware próprio, utilizando de dispositivos a ele incorporado, no caso do roteador o seu hardware possui um processador e uma entrada USB, permitindo assim a alteração do sistema operacional e a conexão em dispositivos suportes, respectivamente. De acordo com Xie et al.(2014), OpenWrt é uma interface Linux usada em dispositivos incorporados para rotear o tráfego de rede. Esse sistema pode ser executado em diversos tipos de dispositivos como roteadores, smartphones, computadores de bolso e laptops. Seu sistema foi feito de maneira otimizada com tamanhos suficientemente pequenos para o armazenamento e memória limitada dos roteadores domésticos. De acordo com o site do OpenWrt (2017), ele fornece um sistema de arquivos totalmente gerenciável, isso permite que o usuário personalize o dispositivo a sua maneira, eliminando a limitação das configurações originais do mesmo fornecidas pelo fabricante. OpenWrt permite a construção de um aplicativo sem ter que construir um firmware completamente novo em torno dele. OpenWrt utiliza principalmente uma interface de linha de comando, mas também possui uma interface web, a chamada interface LuCi baseada em uma estrutura Model Viem Controller (MVC), escrita na linguagem Lua. A estrutura MVC é um padrão de arquitetura de software que diferencia a representação da informação e a interação com usuário. Model é o modelo que consiste nos dados da aplicação, regras de negócios lógica e funções. Já Viem é a visão que pode ser qualquer saída de representação dos dados, exemplo um diagrama. Por fim o Controller é o controlador que busca realizar a medição da entrada, convertendo-a em comandos para o Model ou Viem. A linguagem Lua pode ser definida de acordo com o site da Lua (2017, p. 1) como: 28 Lua é uma linguagem de programação poderosa, eficiente e leve, projetada para estender aplicações. Ela permite programação procedural, programação orientada a objetos, programação funcional, programação orientada a dados e descrição de dados... combina sintaxe procedural simples com poderosas construções para descrição de dados baseadas em tabelas associativas e semântica extensível. Lua é tipada dinamicamente, é executada via interpretação de bytecodes para uma máquina virtual baseada em registradores, e tem gerenciamento automático de memória com coleta de lixo incremental. Essas características fazem de Lua uma linguagem ideal para configuração, automação (scripting) e prototipagem rápida. O OpenWrt é uma plataforma de software livre, tendo o seu suporte no fórum do próprio site. Possui cerca de 3500 pacotes de software opcionais disponíveis para serem instalados no sistema de gerenciamento de pacotes (KANNAN et al, 2016). A LuCi foi fundada em março de 2008 como FFLuCi pelo Freifunk-Firmware afim de melhorar o OpenWrt. O motivo inicial para este projeto foi a ausência de uma interface de usuário web gratuita, transparente, extensível e facilmente mantida para dispositivos incorporados. Embora a maioria das interfaces de configuração similares usem frequentemente a linguagem shell script (linguagem de script usada em vários sistemas operacionais, com diferentes dialetos, que varia de acordo com o interpretador de comando usado), a LuCi usa a linguagem de programação Lua e divide a interface em partes lógicas como modelos e imagens, ainda usa bibliotecas orientadas de acordo com objetos e modelos utilizados. Isso garante um maior desempenho, menor tamanho de instalação, tempos de execução mais rápidos e melhor manutenção. Com o tempo a LuCi evoluiu para uma coleção de várias bibliotecas, aplicativos e interfaces de usuário com propósito geral para programação em Lua, enquanto o foco ainda permanece na interface do usuário da web, que também se tornou uma parte oficial do OpenWrt. É interessante mencionar que a interface LuCi é um projeto aberto e independente, onde todos podem contribuir. Assim como a plataforma Arduino, o sistema OpenWrt pode trabalhar com a comunicação serial, por meio de porta de rede. Também é possível conectar ao dispositivo incorporando sensores e atuadores afim de realizar diversas tarefas. No trabalho, tanto a plataforma Arduino como o sistema OpenWrt possuem um papel importante, visto que eles são usados para captura do sinal acústico medido, bem como, permitir que o dispositivo de medição de ruído atue de forma remota e integrada a um computador, ressaltando que na plataforma Arduino é necessário a utilização de um módulo Wireless. 29 2.3 OPERAÇÃO REMOTA POR TELEMETRIA Uma das abordagens discutidas neste trabalho é a operação remota do dispositivo de medição de ruído por meio da telemetria. De acordo com a definição de Dunn (2013), “a telemetria é a transmissão sem fio de dados de medição de um local remoto para um local central, para o processamento e/ou armazenamento dos dados”. Ou seja, a telemetria permite a medição e análise de dados e informações à distância, em locais onde um sistema de cabeamento, por exemplo, não seria viável. Nas discussões de Mattos (2004) a telemetria começou com a necessidade de medidas em locais inacessíveis, como por exemplo, a temperatura dentro de um forno, mas com o tempo sofreu evoluções, tornando-se uma ciência complexa usada para medidas remotas em qualquer local. A telemetria é uma tecnologia utilizada para a coleta de informações de pontos geograficamente remotos ou que estão em constante movimento, como os automóveis, transmitindo dados e informações para uma central de controle, que tem a função de acompanhar e descodificar esses dados. Sua aplicação é bastante ampla na gestão de bens, ativos, por exemplo, no cosumo de comodidade, onde empresas de saneamento, energia elétrica ou gás utilizam contadores que enviam a informação do consumo para uma central e posteriormente é efetuada a fatura temporal do consumo. No caso de controle de ruído ocupacional, uma proposta de transmissão de dados e informações para uma central de monitoramento e controle poderia ser facilmente adaptada para um programa de gestão do ruído ocupacional. 30 3 CONCEITOS BÁSICOS DE PROCESSAMENTO DE SINAIS E MEDIDAS DE RUÍDO Neste capítulo são apresentados os conceitos e fundamentos necessários para o desenvolvimento do trabalho. Inicialmente são discutidos os conceitos básicos de processamentos de sinais, abordando tipos de sinais, amostragem e quantização de sinal e conversão analógico-digital. Em seguida são discutidos os conceitos de som e ruído, o funcionamento do ouvido humano e a relação do som com os seres humanos, nível de pressão sonora e uma contextualização sobre medidor de nível de pressão sonora. 3.1 PROCESSAMENTO DE SINAIS Um sinal é uma função de variáveis independentes que representa uma quantidade ou variável física, a qual normalmente possui informações sobre o comportamento ou a natureza de um dado fenômeno. De acordo com Oppenheim e Willsky (2010), há dois tipos básicos de sinais: sinais de tempo contínuo e sinais de tempo discreto. Os sinais de tempo contínuo, a variável independente é contínua, logo esses sinais são definidos em um conjunto contínuo de valores da variável independente. Já os sinais de tempo discreto são definidos em instantes discretos, ou seja, a variável independente assume apenas um conjunto discreto de valores. Na Figura 3 é mostrado o sinal de uma onda sonora. Figura 3 - Representação gráfica de um sinal sonoro Fonte: Dados do próprio autor Um sinal pode ser de tempo contínuo ou de tempo discreto. Um sinal de tempo contínuo é definido em cada instante de tempo e costuma ser associado aos sinais 31 analógicos, os quais possuem uma variação com o tempo análoga a algum fenômeno físico (ROBERTS, 2010). Todos os sinais analógicos são sinais de tempo contínuo, porém a reciproca não é verdadeira, nem todos os sinais de tempo contínuo são sinais analógicos. O objetivo do processamento de sinais é extrair informações que os sinais carregam. O método de extração depende do tipo do sinal e da natureza da informação que ele carrega. A representação do sinal pode ser uma função no domínio original da variável independente ou em termos de funções no domínio de uma transformada. O processamento de sinais conforme discutido Yarlagadda (2010) é dividido em função da natureza do sinal em processamento de sinal analógico e processamento de sinal digital. No processamento de sinal analógico se utiliza elementos de circuitos analógicos, já no processamento de sinal digital o processamento é feito a partir de cálculos numéricos. Nos sensores o sinal de entrada conforme discutido em Tan (2008) é um sinal de entrada analógico, consequentemente, contínuo no tempo. Normalmente, esse sensor é usado para converter um sinal não elétrico em um sinal elétrico analógico que pode passar por um filtro analógico, usado para limitar a gama de componentes do sinal antes do processo de amostragem e digitalização. A unidade de processador de um sinal digital pode ser um computador, um microprocessador ou um microcontrolador; além disso, as regras de processamento de sinais digitais são implementados, de modo geral, utilizando softwares. A amostragem de um sinal consiste na obtenção do sinal contínuo no tempo em instantes discretos de tempo. Na amostragem o sinal é convertido em uma sequência de números, com cada números representando a amplitude do sinal da mensagem em um instante de tempo particular (HAYKIN; VEEN, 2001). O conjunto de amostras é um exemplo de sinal discretizado no tempo. Um sinal discretizado no tempo pode também ser produzido por um sistema de tempo discreto que gere valores de um sinal somente em um certo instante de tempo (LATHI; DING, 2012). Sinais de tempo discretos são associados a sinais digitais, os quais são a transmissão de uma sequência de valores de um sinal de tempo discreto, representados por dígitos em alguma forma codificada. Neste caso, os sinais são classificados em sinais analógicos e digitais: a) Sinal analógico: possui tempo contínuo e amplitude contínua, na Figura 4 é mostrada a representação gráfica de um sinal analógico. 32 Figura 4 - Representação gráfica de um sinal analógico Fonte: Dados do próprio autor b) Sinal digital: possui tempo discreto e amplitude discreta, na Figura 5 é mostrada a representação gráfica de um sinal digital. É representado por um número finito de dígitos, isso significa que um sinal digital só é definido para determinados instantes de tempo, e que o conjunto de valores que ele pode assumir é finito. Figura 5 - Representação gráfica de um sinal digital Fonte: Dados do próprio autor 3.2 CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL A maioria dos sinais que são encontrados no dia a dia são sinais contínuos, como por exemplo, a intensidade da luz que varia de acordo com a distância, a intensidade de ruído entre outras. Com o advento do computador o homem sentiu a necessidade de digitalizar esses sinais para poder interagir com eles por meio dos computadores, tanto recebendo as informações, conversão analógica-digital (A/D) com enviando informações, conversão digital-analógica (D/A). A conversão A/D conforme discutido em Smith (2011), é feita em dois passos: amostragem e quantização. Para realizar a conversão A/D o sinal de tempo contínuo é amostrado gerando assim um sinal de tempo discreto e as amplitudes que eram contínuas são quantizadas. Normalmente, o primeiro passo para a conversão do sinal analógico para o digital é realizando a amostragem do sinal e posteriormente o sinal é digitalizado usando 33 um conversor analógico-digital que transforma o sinal analógico em um sinal digital (BROESCH ET AL., 2008). A amostragem é a obtenção de amostras de um sinal contínuo, em instantes de tempo de intervalos iguais. Já a quantização realiza a aproximação dos valores obtidos na amostragem, para um conjunto finito de níveis, o qual é determinado pelo número de bits que serão utilizados para codificar o sinal. Cada amplitude é alocada ao nível de quantização mais próximo, ou seja, ao nível que leve ao menor erro absoluto. Um aspecto importante a ser observado na amostragem é a questão da taxa de amostragem, a taxa de amostragem deve ser definida com base no teorema da amostragem, sabe-se que a taxa de amostragem deve ser maior que o dobro da maior frequência do espectro, então o sinal pode ser reconstruído baseado em amostras discretas (CANDY; TEMES, 1992). No caso de medidas acústica para frequência de corte (alta frequência) da ordem de 22,05kHz é necessário utilizar frequência de amostragem de entrada duas vezes maior, ou seja, de 44,1kHz. 3.3 CONCEITOS DE SOM E RUÍDO Para uma avaliação do ruído é importante compreender o que são as ondas sonoras. Para Beranek e Vér (1992), uma onda sonora é qualquer perturbação que se propaga em um meio elástico. Essas perturbações podem ser percebidas pelo senso de audição de um ser humano, por meio de uma variação na pressão do ar no ouvido. A variação na pressão em relação à pressão atmosférica é chamada de pressão sonora, medida em pascal (Pa). De acordo com o dicionário Aurélio (2010) som, no seu sentido físico, é “o movimento vibratório de um corpo sonoro, que se propaga no ambiente e impulsiona o órgão da audição: som agudo, som grave”. E ruído é “qualquer som indistinto, sem harmonia”. Já para Everest e Pohlmann (2009), o som pode ser entendido como um movimento de onda no ar ou outros meios de elásticos, o que se entende como um estímulo. O som também pode ser entendido como uma excitação do mecanismo de audição, o que resulta na percepção de som, sendo considerado uma sensação. Para Nepomuceno (1994), o som nada mais é que uma vibração que se propaga em um meio elástico, porém deve possuir uma frequência entre 16 e 20 Hz até 20kHz, que é a faixa de 34 frequência dita como uma faixa audível. Sons abaixo dessa faixa são denominados infrassons e acima de ultrassons. O ruído é um som, mas o som não é necessariamente um ruído. Existem algumas definições para ruído, para Kinsler et al. (1982), o ruído é uma onda sonora aperiódica, ou seja, com várias frequências ao mesmo tempo. O ruído ainda pode ser considerado um som que atrapalha a execução das atividades de uma pessoa (SOUZA; ALMEIDA; BRAGANÇA, 2006), como o som de uma mosca voando que deixa um estudante incomodado, diminuindo a sua concentração. Porém, de acordo com Bistafa (2006), o ruído pode também ser utilizado como uma forma de informação, como o bom ou mal funcionamento de um maquinário, o início de um incêndio, entre outros tipos de avisos. Segundo a Norma NBR 12179 (ABNT, 1992, p.2), ruído é todo som indesejável, porém o seu efeito não depende somente das suas características, mas também da pessoa que está exposto a este ruído. O ruído é todo o som que excede os níveis determinados pelas normas, que possam prejudicar a segurança, a saúde e a qualidade de vida de uma pessoa, gerando problemas de audição, falta de concentração, dificuldade de comunicação e estresse. O ruído contínuo pode ser, uma máquina operando ininterruptamente, como ventiladores, bombas e motores. Já o ruído intermitente aparece quando uma máquina opera em ciclos, ou quando carros estão em movimento, fazendo com que os níveis de ruído aumentem e diminuam rapidamente. O ruído gerado por impactos ou explosões é considerado um ruído impulsivo (DAVIS; MASTEN, 2016). 3.4 O SOM E OS SERES HUMANOS O som é definido como uma sensação melodiosa e harmônica, enquanto o ruído, uma sensação incomoda e irritante. O ruído é um tipo de som percebido de forma subjetiva pelo homem. Isso porque para uns ele pode ser um som agradável e para outros um som indesejável como mencionado anteriormente. Porém, nos dias atuais, com a globalização e o avanço tecnológico os níveis de ruído se tornaram uma forma de poluição que atinge fortemente o ser humano, estando presente a todo momento no dia a dia do homem. Uma pessoa que é submetida a altos níveis de ruído pode ter o seu bem estar afetado, assim como problemas de saúde, principalmente de audição. De acordo com 35 Gerges (2000), as alterações fisiológicas que o homem pode sofrer são: dilatação da pupila, hipertensão sanguínea, mudanças gastrointestinais e reação da musculatura do esqueleto que, se o indivíduo for exposto por um grande tempo se torna irreversível. Um grande tempo de exposição à altos níveis de ruído pode sobrecarregar o coração, gerando secreções anormais de hormônios e tensões musculares. A exposição ao ruído ainda pode causar hipertensão arterial (FUSINATO, 2005). 3.4.1 O Ouvido Humano O ouvido humano é um órgão de grande sensibilidade e responsável pela percepção e interpretação das ondas sonoras que chegam até ele em uma faixa de frequência audível (20Hz a 20kHz). Isso ainda pode variar de pessoa para pessoa, pois o limite superior da audição humana diminui com o envelhecimento, o chamado presbiacusia (JOURDAIN, 1998). De acordo com Gerges (2000), desde a captura do som até a percepção do mesmo, acontece uma série de transformações de energia, que começa quando o som passa pelo canal auditivo (energia sonora), seguindo para o mecanismo dos ossículos (energia mecânica), que possui a função de amplificar o sinal de áudio, depois passa pela cóclea que funciona como um sistema hidráulico e finaliza com a energia elétrica dos impulsos nervosos que alcançam o cérebro. Na Figura 6 é ilustrado de forma simplificado os principais componentes do ouvido humano. Figura 6 - Anatomia do ouvido humano Fonte: Falconi (2011) De acordo com Rui (2007) o ouvido humano é dividido em três partes: 36 a) Ouvido externo: constituído pelo pavilhão auditivo, canal auditivo e tímpano. O pavilhão auditivo coleta o som que passa pelo canal auditivo até alcançar o tímpano; b) Ouvido médio: constituído pelos ossículos (martelo que bate contra a bigorna, que bate contra o estribo) que funcionam como um braço de alavanca, resultando na amplificação do som. A participação do ouvido médio começa quando som atingem o tímpano fazendo-o vibrar, e termina quando o estribo pressiona a janela oval (ligada a cóclea), já no ouvido interno (STEVENS; WARSHOFSKY, 1969). c) Ouvido interno: responsável por levar o som até o cérebro por meio de nervos. A cóclea é um espiral cônico com três tubos comprimidos lado a lado (RUI, 2007). Os tubos de cima e de baixo, possuem um líquido chamado de perilinfa, eles possuem a função de se comunicar com o ouvido médio, enquanto o tubo do meio está cheio de um fluído chamado endolinfa, neste tubo existem diversas células ciliadas que diferenciam as frequências (BEAR; CONNORS; PARADISO, 2002). Um aspecto importante a se ressaltar é que essas células não se regeneram. 3.4.2 Curvas Audiometricas O sistema auditivo não captura o som de forma linear, isso porque o ouvido humano apresenta uma sensibilidade diferente para cada frequência. A sensação de se ouvir, para o ser humano, advém da variação de pressão sonora na faixa de frequência de 20Hz a 20KHz comenta Bistafa (2006). Assim, um som grave será percebido como se fosse menos intenso do que um som médio de mesmo nível de pressão sonora. Ou seja, para o ouvido humano, sons de frequências diferentes soam com intensidade de níveis sonoros diferentes. Portanto, o nível é uma indicação física da amplitude, ao passo que a audibilidade é uma indicação subjetiva, variando de um indivíduo para outro. A Figura 7 mostra uma família de curvas de igual audibilidade sonora (curvas isoaudíveis) de resposta do ouvido humano dados em fones. Fone é a unidade criada para comparar o nível de audibilidade sonora. 37 Figura 7- Representação gráfica de curvas isoaudíveis Fonte: Adaptado de Gerges (2000) Devido ao fato do ouvido humano não possuir uma resposta linear em relação à frequência, os circuitos eletrônicos utilizados nos dispositivos de medição fazem uma correção dos valores medidos buscando modelar esse comportamento não linear da resposta do ouvido humano. As correções são feitas para cada faixa de frequências de forma a reproduzir a sensibilidade do ouvido humano, levando a um conjunto de curvas de ponderação, as quais são padronizadas e classificadas como A, B, C e D. Na Figura 8 são mostrados os gráficos das curvas dos circuitos de compensação, conforme discutido em Bistafa (2006), as mesmas são classifica como filtros passa-alta com as seguintes características: a) Tipo A: aproxima a sensação auditiva correspondente à curva isofônica de 40 fones (desenfatiza baixas frequências); b) Tipo B: aproxima a sensação auditiva correspondente à curva isofônica de 70 fones; c) Tipo C: aproxima a sensação auditiva correspondente à curva isofônica de 100 fones; d) Tipo D: desenvolvida para avaliação de ruídos de sobrevoos de aeronaves (penaliza altas frequências). 38 Figura 8 - Circuitos de compensação A, B, C e D Fonte: Adaptado de Nepomuceno (1977) Existem diversas formas de mensurar o som, em termos do nível de intensidade sonora, do nível de potência sonora ou ainda pelo nível de pressão sonora. Neste trabalho o ruído será medido utilizando o nível de pressão sonora como forma de quantificação do mesmo. Para um melhor entendimento das medidas de nível de pressão sonora é importante entender o funcionamento do ouvido humano. O ouvido humano pode diferenciar uma grande faixa de pressão sonora, de acordo com a frequência que o som é emitido, em outras palavras, a percepção do som varia de acordo com cada frequência sonora emitida (DE MARCO, 1982). De acordo com Fahy (2005), o ouvido humano não responde de forma linear à pressão sonora, assim como muitos outros sistemas fisiológicos e percepções psicofísicas, as quais exibem uma resposta logarítmica. Por esse motivo, foram definidos equivalentes logarítmicos de pressão e sua média quadrada, desde modo foi definido o nível de pressão sonora pela Equação 1. 𝑁𝑃𝑆 = 20 𝑙𝑜𝑔10 𝑃(𝑡) 𝑃𝑟𝑒𝑓(𝑡) (𝑑𝐵) (1) Onde: 𝑃(𝑡) é a pressão sonora; Pref é a pressão sonora de referência = 2x10-5 Pa, que corresponde aproximadamente ao limiar da audição normal a 1 kHz. 39 3.5 MEDIDOR DE NÍVEL DE PRESSÃO SONORO O medidor de nível de pressão sonora é um instrumento capaz de medir o nível de ruído com uma resposta normalmente em decibéis (dB). Este instrumento tem como principal componente um transdutor eletroacústico que converte o sinal de áudio em um sinal elétrico. Esse instrumento ainda precisa de um amplificador para aumentar a intensidade do sinal que é captado pelo transdutor, visto que é um sinal de intensidade muito baixa, ordem de milivolts. Também precisa de um conversor AC-DC que converte o sinal de uma corrente alternada para uma corrente contínua. Possui ainda um filtro que adequa esse sinal para um determinado fim, que são as chamadas ponderações, que pode ser A, B, C e D. Ainda segundo a norma, em uma auditoria para garantir o seu cumprimento deve-se medir o nível de ruído com um instrumento de nível de pressão sonora operando no circuito de ponderação “A” e circuito de resposta lenta (Slow). A performance dos medidores de nível de pressão sonora é determinada pelos padrões IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional). As seguintes padronizações são aplicáveis: a) IEC 60651 – Padronização para medidores de nível de pressão sonora; b) IEC 60804 – Padronização para medidores de nível de pressão sonora; c) IEC 61672 – Padronização para medidores de nível de pressão sonora, substituindo IEC 60651 e IEC 60804; d) IEC 60942 – Padronização para calibradores de medidores de nível de pressão sonora. A nível nacional a ABNT estabelece normas apenas a respeito de calibração e procedimento de operação deste instrumento, como por exemplo: a) NBR 10151 - Avaliação do ruído em áreas habitadas, visando o conforto da comunidade – Procedimento; b) NBR 17025 - Acreditação de Laboratórios (calibração). O nível de pressão sonora, portanto, é uma grandeza acústica que determina a sensação de intensidade de som. A grande maioria das medições de ruído são de decibéis ponderados, dB(A). De acordo com Peters et al. (2011), a ponderação é o resultado de uma rede de ponderação de frequência eletrônico no medidor de nível de som que tenta 40 construir a resposta humana a diferentes frequências para a leitura indicada por um medidor de nível de som, de modo que ela se relacionará com a intensidade do ruído. Com base nisso, pode-se dizer que, o componente principal para a medição acústica é um sensor de pressão sonora. Esse sensor é um transdutor eletroacústico, chamado microfone, tem a capacidade de transformar a pressão sonora em sinais elétricos. Tal sinal é condicionado e expresso em termos de nível de pressão sonora, por meio de um medidor de nível sonoro. Bistafa (2006), explica que esse instrumento não vem com filtros de análise de frequência, fornecendo somente, o nível sonoro total do som que é captado pelo microfone. Mas é importante lembrar que esse instrumento possui filtros ponderados que fornecem uma melhor correlação do nível sonoro com o nível de audibilidade. É importante explicar neste momento o que é o nível total (global) de pressão sonora. Esse índice é uma grandeza que fornece apenas um nível em decibel sem informações sobre a distribuição de energia deste nível nas frequências. Portanto é uma medida global simples (RMS) efetuada com um medidor sonoro sem filtros parciais (GERGES, 2000). Destacando que o dano causado na audição não depende somente do nível de ruído exposto, mas também ao tempo que o indivíduo é exposto a este ruído, foi estabelecido um valor único, o nível sonoro equivalente (Leq), que é utilizado para descrever o nível de pressão sonora medido durante um determinado intervalo de tempo T. É definido como o nível de som contínuo que tenha a mesma energia acústica do som flutuante que está sendo medido num determinado local. De acordo com Gerges (2000), o cálculo é feito integrando-se a variação da pressão no tempo de observação, Equação 2. 𝐿𝑒𝑞 = 10. 𝑙𝑜𝑔 1 𝑇 ∫ 𝑃2(𝑡) 𝑃𝑟𝑒𝑓 2 𝑑𝑡 (𝑑𝐵) 𝑇 0 (2) O nível sonoro equivalente é usualmente utilizado para quantificar níveis de ruído ambiental expressos na curva de ponderação “A”. A Norma NBR 10151 (ABNT, 2000) recomenda o Leq para análises de ruído em ambientes internos. 41 4 DESENVOLVIMENTO E MONTAGEM DO DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO DE RUÍDO Neste capítulo é apresentado o desenvolvimento e implementação do dispositivo de medição de ruído. Primeiramente, é discutida a fase de captura do sinal de áudio, que é a parte central do trabalho, que vai possibilitar o cálculo do nível de ruído de modo correto. Ainda neste capítulo, é apresentada uma discussão a respeito dos microfones utilizados e os motivos que levaram a escolha dos mesmos. E finalmente, é apresenta os procedimentos de cálculos e o desenvolvimento da interface gráfico do dispositivo de medição de ruído. 4.1 METODOLOGIA O presente trabalho teve como norte o desenvolvimento de um dispositivo que possa ser usado para o monitoramento contínuo de ruído em ambientes de trabalho. Além de medir o ruído, o dispositivo deve ser capaz de armazenar os dados coletados para posterior analise ou a definição de históricos dos níveis de ruído no local. O dispositivo traz a proposta de operação remota através da telemetria, duas possibilidade foram discutidas uma com base no uso de um módulo Wireless e outra com base no uso de um roteador. A operação remota possibilitaria o uso do dispositivo de medição de forma integrada com um computador em um programa de gestão de ruído onde o usuário poderia controlar a operação do dispositivo para o monitoramento dos níveis de ruído do ambiente à distância. O alcance do sistema remoto, neste caso, está diretamente relacionado com a capacidade de roteamento do dispositivo que pode ser alterado por meio de antenas. Duas propostas de dispositivo de medição foram implementação e avaliadas: uma com base na plataforma Arduino e outra com base no uso do sistema Openwrt operando conjuntamente com um roteador utilizado para o gerenciamento e controle dos microfones e sistema de armazenamento de dados. Na primeira proposta os componentes utilizados foram o Arduino, o módulo Wireless e um computador para o armazenamento e leitura dos dados. Já na segunda proposta foi utilizado um roteador com o sistema OpenWrt, um pen drive utilizado como uma extensão da memória do roteador (memória ROM) e um computador para armazenamento e processamento dos dados. Além da plataforma Arduino e do sistema Openwrt, no desenvolvimento dos dispositivos foram utilizados e/ou adaptados códigos, bibliotecas e procedimentos disponibilizados pelos 42 fabricantes e desenvolvedores destas duas plataformas. Para isso, duas das fontes de consultas permanente foram o site do Arduino (ARDUINO, 2017) e o site do Openwrt (OPENWRT, 2017). A proposta desenvolvida com base na plataforma Arduino possui uma limitação com relação às oscilações negativas nos valores de leitura, visto que o mesmo não trabalha com tensões negativas, isso porque cada pino de leitura do Arduino possui um diodo que impede a correte no sentido contrário, ou seja, tensão negativa (ARDUINO, 2016). Isso acaba gerando um corte para os sinais com valores de tensão negativa, para corrigir essa limitação foi utilizado um circuito amplificador/compensador do sinal. Para isso foi desenvolvido um compensador DC (corrente direta), o qual ajusta o sinal de saída do amplificador, deixando o sinal em uma faixa de tensão de 0 V até o valor máximo de tensão de trabalho que atende a faixa de operação do Arduino. O circuito de compensação DC atua como um sistema de filtro passa-baixo que suaviza o sinal, reduzindo eventuais ruídos indesejáveis. O aterramento do sistema foi feito através de resistores que também contribuiu para a adequação da sensibilidade do microfone. Neste caso, dispositivos eletrônicos de condicionamento e tratamento do sinal de áudio capturado pelo microfone também foram utilizado visando ajustá-lo às condições e especificações dos componentes utilizados no dispositivo de medições. O sistema de transmissão dos dados foi via módulo Wireless. Já a proposta desenvolvida com base no sistema OpenWrt necessitou de um pen drive para realizar o armazenamento do firmware, visto que a memória ROM do roteador é muito pequena. Foi utilizado ainda um dispositivo de hardware (placa de som) para a conversão analógico/digital dos sinais capturados pelo sensor de pressão (microfone). Para as conexões dos componentes no dispositivo foi utilizado um hub. O hub é um adaptador para entradas USB que tem como principal função multiplicar as entradas USB de um dado dispositivo. Neste caso, o hub foi conectado à porta USB do roteador, possibilitando a conexão do pen drive e da placa de som e o microfone foi conectado a placa de som por meio de uma entrada de plug P2. Um aspecto importante a se ressaltar é que o dispositivo, neste caso, passou a ter uma memória externa para armazenamento de dados (pen drive) e a montagem de hardware ficou mais simples, visto que o roteador já é capaz de realizar a captura e transmissão dos dados. Os dados são inicialmente armazenados no pen drive e depois enviados para um computador a partir de comandos do usuário ou de forma pré-programada. https://pt.wikipedia.org/wiki/Hardware 43 A análise e o processamento do sinal de áudio capturado pelo microfone, ambos são realizados em ambiente Matlab. Para isso foi desenvolvida uma interface gráfica utilizando a ferramenta Guide que permite usuário visualizar o sinal bruto, o sinal em pressão sonora e nível de pressão sonora. A calibração e avaliação do desempenho do dispositivo de medição foi realizada utilizado um sistema de medição comercial, mais especificamente, o medidor de pressão sonora Solo Black SLM da marca 01dB. O medidor é do tipo 1 que atende as especificações da IEC 60651 e possui recursos para medição de nível de pressão sonora equivalente, como é especificado na IEC 60804. O calibrador do medidor é da mesma marca e atende às especificações da IEC 60942 (94dB a 1000Hz), sendo que ambos possuem certificado de calibração da Rede Brasileira de Calibração (RBC). Na Figura 9 é mostrado o fluxograma do processo de medição desenvolvido em que é possível acompanhar as varias etapas envolvidas na medição. Inicialmente, é definido o intervalo de aquisição, o dispositivo é acionado remotamente para a captura da pressão, finalizado a captura os dados são enviados para o computador por telemetria e finalmente, o cálculo dos níveis de pressão sonora é realizado e os resultados são apresentados na forma de gráficos e valores na tela. 44 Figura 9 - Fluxograma do sistema de medição desenvolvido Fonte: Dados do próprio autor 4.2 MICROFONES A escolha e seleção do tipo de microfone utilizado se mostrou um passo importante, a qualidade do som depende principalmente da qualidade do microfone. No caso de equipamentos de gravação, por exemplo, não basta ter a melhor mesa de som se o microfone deixar a desejar (Clifford, 1977). Três tipos de microfones foram testados, o microfone de condensador, de eletreto e dinâmico. Os testes foram realizados para identificar o funcionamento de cada microfone, neste caso foi utilizado somente um dispositivo, o dispositivo com base na plataforma Arduino. O microfone de condensador testado foi o sensor de som KY-038. O sensor KY- 038, diferentemente dos demais microfones testados, é um dispositivo com um circuito 45 onde já existe um amplificador e um compensador de sinal, ou seja, o KY-038 é um circuito eletrônico capaz de medir a intensidade sonora do ambiente ao seu redor, variando o estado de sua saída digital caso detectado um sinal sonoro. O limite de detecção pode ser ajustado através do potenciômetro presente no sensor que regulará a saída digital (D0), porém para obter uma resolução melhor é possível utilizar a saída analógica (A0) e conecta-la um conversor A/D, neste caso, o Arduino. O módulo trabalha com uma tensão de operação de 4-6V com uma corrente direta, e ele possui dois LEDs indicadores: um que mostra se o módulo está ligado e outro que acende quando a saída digital estiver em nível alto (High). Na Figura 10a é mostrada a foto do sensor e na Figura 10b o esquema de funcionamento do sensor. Figura 10 - Sensor de som KY-038 (a) Foto do sensor de som KY-038 (b) Esquemática do sensor de som KY-038 Fonte: Dados do próprio autor As especificações básicas do sensor são: a) Faixa de frequência: 100 ~ 10.000 Hz; b) Sensibilidade: -46±2,0 (0dB = 1V/Pa) a 1 kHz ajustável pelo potenciômetro; c) Fonte de alimentação: máximo de 5V; d) Sensibilidade mínima a ruído: 58dB. 46 O Microfone de eletreto testado foi o Panasonic WM-55A que é um microfone unidirecional que foi desenvolvido para captações (eletrificações) de instrumentos, principalmente acordeom. Para conectá-lo ao Arduino foi necessário um conector e um plug P2. Para isso foi soldado um cabo coaxial nas entradas do microfone (terra e sinal) e na outra extremidade do cabo foi soldado dois jumper para serem ligados no pino GND e na saída analógica do Arduino. O microfone foi alimentado pelo pino 5V do Arduino. Na Figura 11 é mostrado o microfone de eletreto em questão. Figura 11 - Microfone de eletreto Panasonic WM-55A Fonte: Site Oficial Panasonic (2017) As especificações básicas do mesmo são: a) Faixa de frequência: 100 ~ 12.000 Hz; b) Sensibilidade: -47±4,0 (0dB = 1V/Pa) a 1 kHz; c) Fonte de alimentação: 1,5 ~ 5V; d) Impedância: 680Ω. O microfone MIC-100 é um microfone dinâmico de alto desempenho com uma entrada mono de 6,3mm, isso quer dizer, que ele possui um único elemento de microfone ou de captura que gera um sinal; ao contrário de um estéreo. Para conectar esse microfone ao Arduino foi necessário um conector de ¼ e um plug P10. Para realizar a conexão do microfone ao plug foi realizada a soldagem de fios no plug de aterramento e geração de sinal. A ligação do microfone com o Arduino foi realizada pelo fio soldado ao plug de aterramento conectado ao pino GND do Arduino, e o fio de geração de sinal conectado a uma saída analógica do Arduino. A alimentação do microfone foi pelo pino 5V do Arduino. Na Figura 12 é mostrado o microfone dinâmico em questão. 47 Figura 12 - Microfone dinâmico, MIC-100 Fonte: Dados do próprio autor As especificações básicas do mesmo são: a) Faixa de frequência: 90 ~ 12.000 Hz b) Sensibilidade: -55dB c) Fonte de alimentação: máximo de 5V d) Impedância: 600Ω O sensor de som KY-038 possui um circuito amplificador/compensador do sinal de tensão próprio, consequentemente foi necessário somente conectá-lo ao Arduino e realizar a programação desejada. Para o microfone Panasonic Wm-55A e o MIC-100 foram necessários desenvolver um circuito amplificador/compensador do sinal. 4.2.1 Circuito Amplificador/Condensador O circuito amplificador/compensador utilizado foi baseado no circuito desenvolvido pela Texas Instruments Incorporated (2015). Na Figura 13 é mostrado o circuito montado, assim como seu diagrama esquemático que ilustra os componentes do amplificador e do conversor CC. 48 Figura 13 - Circuito de amplificador/compensador (a) Foto do circuito amplificador/compensador desenvolvido Fonte: Dados do próprio autor (b) Diagrama esquemático do amplificador/compensador Fonte: Texas Instruments Incorporated (2015) O sinal de áudio nada mais é que uma onda sonora constituída por pequenas oscilações. Em eletrônica essas oscilações do sinal de áudio são representadas por tensões de oscilação ao longo do intervalo de tempo. Neste momento foi necessária atenção com a voltagem de saída do transdutor, visto que o Arduino possui uma limitação com relação às oscilações negativas, ele considera os valores negativos “picos de baixas amplitudes” iguais a 0 V, o que acaba gerando um corte para os valores de voltagem negativa. Para evitar este problema foi necessário um circuito de amplificação e compensação de sinal, que vai deslocar os valores de voltagem para uma faixa de valores variando de 0 V até o valor máximo da voltagem de operação. Os componentes utilizados no circuito são listados a seguir: 49 a) 1 microfone; b) 1 circuito integrado TL082; c) 2 resistores de 1kΩ de ¼ watt; d) 3 resistores de 10kΩ de ¼ watt; e) 1 resistor de 576kΩ de ¼ watt; f) 1 capacitor eletrolítico de 1µF; g) 1 capacitor eletrolítico de 470µF; h) 1 capacitor de poliéster de 1µF; i) 1 Arduino Uno; j) 1 cabo USB; k) 1 protoboard; l) Fios jumber. A montagem deste circuito foi dividida em duas etapas, uma etapa de amplificação e uma de conversão. a) Amplificador: Na etapa de amplificação a amplitude do sinal foi aumentada de cerca de mais ou menos de 200 mV para mais ou menos 2 V. O amplificador teve outra função no circuito ainda, a de proteger a fonte de áudio do resto do circuito, no caso o microfone. Isso foi feito através da montagem de um amplificador operacional, por meio do circuito integrado TL082 em uma configuração de amplificador. As especificações do fabricante diz que o TL082 deve ser alimentado com 15 V e -15 V, desde que o sinal nunca seja amplificado acima de ± 2,5 V, portanto, o amplificador operacional foi executado com uma fonte de alimentação menor, com o 5 V do próprio Arduino. Lembrando que o microfone deve ser conectado na entrada não-inversora do TL082. Ainda foi utilizado um resistor 576 kΩ entre a saída e a entrada inversora do amplificador, a fim de evitar danos nos componentes. Foi utilizado dois resistores de 10 kΩ para definir o ganho do amplificador não-inversor, o ganho definido foi de 2 V. Tendo como base o amplificador ilustrado no diagrama esquemático da Figura 13 é possível descrever as amplitudes relativas do sinal antes e depois do amplificador não- inversor, Equação 3. 50 𝑉𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 𝑉𝑒𝑛𝑡~ × (1 + 𝑅2 𝑅1 ) 𝑜𝑢 𝑉𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑉𝑒𝑛𝑡 = ~ 1 + 𝑅2 𝑅1 (3) Onde: 𝑅 = resistência de realimentação (entre a saída e a entrada não-inversora); 𝑉𝑠𝑎í𝑑𝑎= amplitude do sinal de saída (a saída do amplificador); 𝑉𝑒𝑛𝑡= amplitude do sinal de entrada (a entrada do amplificador). b) Conversor CC: Um conversor CC é um circuito eletrônico que altera uma dada tensão ou corrente contínua de uma determinada amplitude em outra tensão ou corrente. No caso do circuito desenvolvido, o circuito CC foi utilizado para converter o sinal de saída do amplificador, fazendo com que o sinal de áudio oscilasse em torno de uma tensão de ± 2 V, ou seja, o conversor permitiu que o sinal ficasse limitado dentro do intervalo aceitado pelas entradas analógicas do Arduino sem saturar, em outras palavras, sem valores negativos, ficando no intervalo de 0 – 4 V. A montagem do circuito de conversor CC teve dois componentes principais: o divisor de tensão e o capacitor 1 µF. O divisor de tensão foi constituído por dois resistores um de 1k Ω e um de 10 kΩ ligados em série e alimentados pela fonte de 5 V do Arduino. A tensão de junção dos dois resistores foi de 2 V. Tal junção foi ligada à saída do amplificador através do capacitor de 1 µF. Na avaliação dos microfones, os testes mostraram que os microfones de condensador e de eletreto obtiveram um resultado bastante similar, porém o microfone de eletreto obteve um melhor resultado. Já os resultados do microfone dinâmico não foram satisfatórios. Além disso, os microfones de condensador e de eletreto são esteticamente mais harmônicos com os dispositivos desenvolvidos. 4.3 DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO COM BASE NA PLATAFORMA ARDUINO O dispositivo de medição Arduino foi desenvolvido com base na plataforma Arduino e o circuito utilizado foi o KY-38. Inicialmente foi desenvolvido um circuito com base na proposta de Ghassaei (2008), entretanto, por questões devido ao mal contato da protoboard foi feita a opção pelo o uso do circuito do sensor KY-038 já existente. No 51 desenvolvimento do dispositivo foi utilizado o Arduino Uno, o sensor KY-038, a placa de comunicação Xbee, cabo USB, fios de jumpers cujo funcionamento atendeu as expectativas. A Figura 14 ilustra o circuito utilizado e seu diagrama esquemático. Figura 14 - Dispositivo baseado no Arduino (a) Foto do dispositivo (b) Diagrama esquemático do dispositivo Fonte: Dados do próprio autor Para ler o sinal de áudio foi desenvolvido um código, via IDE do Arduino, que lê o sinal de entrada (tensão) utilizando o comando “analogRead” onde cada nível do sinal lido corresponde a um número entre 0 e 1023 que é armazenado como uma variável. Nos testes realizados, utilizando o Gerador de Sinal Tektronix AFG3021C para simular o sinal de tensão de entrada no Arduino, ficou demonstrado que a utilização do dispositivo para medidas acústicas não é a mais adequada, em função da limitação da taxa de amostragem. Foram realizadas várias simulações em que o gerador de sinal era utilizado para gerar uma senóide com níveis de tensão compatível e variando a respectiva frequência. Neste caso, o sinal gerado era digitalizado e posteriormente, os valores do sinal digitalizado armazenados na variável eram utilizados para alimentar a porta digital de entrada do Arduino, gerando assim, um sinal analógico de saída a partir do sinal digitalizado. O sinal de saída da porta analógica do Arduino, gerado a partir da conversão do sinal digital em analógico foi comparado com o sinal original utilizando o Osciloscópio Tektronix TBS1064. Nas comparações foi observado que a máxima taxa de amostragem alcançada foi de aproximadamente 333 s, ou seja, 3000 Hz. Buscando contornar esta limitação, se buscou uma forma de estender a taxa de amostragem, para isso foi realizada uma alteração do número de níveis utilizados na conversão do sinal que foi reduzido de 0 a 1023 para 0 a 255 níveis. No entanto, a taxa 52 de amostragem obtida foi de 10 kHz em detrimento da resolução dos níveis de amplitude (divisões) do sinal analógico, mesmo assim os valores máximos conseguido ainda ficaram abaixo da taxa utilizada para sinal de áudio que é de 40kHz. 4.3.1 Modulo de Transmissão No módulo de transmissão, considerando que a proposta envolve a operação remota do dispositivo de medição, em que tanto o controle de operação como a análise dos dados poderia ser feita a partir de um computador a distância, foi utilizado um módulo Wireless. O modelo utilizado foi o Xbee, que é um componente eletrônico capaz de realizar a comunicação sem fio até 100 pés (30,48 m) dentro de um ambiente fechado (com paredes) e até 300 pés (91,44 m) em ambiente livre. Este módulo permite uma comunicação eficiente e confiável entre computadores, microcontroladores e sistemas que dispõe de interface serial. Para a comunicação, inicialmente é necessário instalar a placa Xbee Explorer USB conectando-a a uma porta USB do computador, pois assim é possível programar, configurar e atualizar o módulo Xbee. A instalação é feita pelo software XCTU e após a instalação já é possível realizar a comunicação entre o Xbee e o Arduino. Para isso é preciso conectar o computador no Xbee Explorer USB e conectar o Arduino a Xbee Shield. A comunicação dos dois módulos é feita a partir do cadastro do nome, do número da rede e do endereço físico de cada módulo em ambos dispositivos. A rede Xbee deve ter pelo menos um módulo configurado como coordenador, o qual tem a função de iniciar a rede e comunicar-se com o outro módulo, que funciona no modo roteador, este último comunica-se com os dispositivos finais. Na Figura 15 é mostrada uma ilustração do esquema de funcionamento de uma rede Xbee. 53 Figura 15 - Rede Xbee Fonte: Dados do próprio autor Ainda no IDE do Arduino foi necessário determinar a velocidade de transmissão dos dados via porta serial, a qual foi definida no ambiente Matlab. Para realizar essa comunicação primeiramente foi necessário instalar no Matlab o pacote do Arduino que está disponível no próprio site do Matlab. A comunicação foi executada por meio de uma porta serial. Assim como no Arduino, no Matlab também foi necessário realizar algumas especificações. Primeiramente foi preciso verificar a porta serial e a velocidade de transmissão da porta. Em seguida, foi realizada a aquisição do sinal. Logo depois a porta serial deve ser fechada. 4.4 DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO COM BASE NO OPENWRT O dispositivo de medição OpenWrt foi desenvolvido com base no uso do sistema OpenWrt juntamente com um roteador. O sistema OpenWrt, conforme discutido anteriormente, é um software livre que permite mudar o firmware do fabricante de um dado dispositivo, como por exemplo, reprogramar um roteador para fazer uma outra tarefa específica. Os componentes e materiais utilizados no desenvolvimento e montagem do dispositivo de medição OpenWrt foram um microfone Panasonic Wm-55A, uma placa de som, um roteador TP-link: TL-MR3020, um pen drive e um hub. Neste caso, o módulo de comunicação remota (módulo Wireless) do dispositivo de medição com o computador utilizado no dispositivo de medição Arduino foi substituído por um roteador. A montagem eletrônica do dispositivo de medição neste caso foi mais simples, visto que os componentes utilizados são dispositivos comerciais que não envolve uma 54 dificuldade maior na conexão e montagem dos mesmos. Na Figura 16 é mostrado um foto do dispositivo montado. Figura 16 - Dispositivo baseado no OpenWrt Fonte: Dados do próprio autor O primeiro passo para a operação do dispositivo foi a realização da troca do firmware original do roteador pelo firmware do OpenWrt versão v1.23.2. Quando essa alteração é feita, é necessário estabelecer uma senha de acesso para o endereço IP do roteador. O OpenWrt possui a interface LuCi, nela é possível realizar alterações no script, porém essa não é a única maneira de ter acesso ao firmware. Outra maneira, a qual foi utilizada neste trabalho, é através do aplicativo PuTTy. Na Figura 17 é ilustrado o design deste aplicativo, onde é necessário definir o endereço IP, a porta utilizada e o tipo de conexão. 55 Figura 17 - Interface PuTTy de configuração Fonte: Dados do próprio autor O endereço IP do sistema é 192.168.1.1, a porta utilizada é a 22 e tipo de conexão é SSH (protocolo de rede criptográfico para operação de serviços de rede de forma segura sobre uma rede insegura). Em seguida é preciso identificar o usuário e a senha de acesso estabelecida para liberar o acesso ao firmware, como pode ser observado na Figura 18. Figura 18 - Área de acesso ao Open