Gêmeos digitais na esfera pública

uma experiência na graduação em Engenharia Elétrica

Abstract

O presente trabalho apresenta uma experiência que está sendo realizada na Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) com a aplicação de Gêmeos Digitais, por meio de Internet das Coisas (IoT) e Modelagem de Informação da Construção (BIM), conforme proposto por MACHADO (2018), a fim de melhorar a Gestão das Edificações na instituição. A Pró-reitoria de Infraestrutura (PROINFRA) é responsável pela gestão das estruturas e das edificações da UFJF, e está em processo de adaptação de seu escritório para projetos em BIM, bem como no conceito de Gêmeos Digitais. Este cenário favorece e enseja a cooperação entre as áreas de Arquitetura e de Engenharia Elétrica, para alcançar a melhoria e a modernização da gestão de infraestrutura. O escopo deste trabalho visa atender a demanda por sensoriamento ambiental, em tempo real, para poder municiar os profissionais de Arquitetura na construção de modelos que espelham as propriedades reais em ambiente BIM, com finalidade de obter um gêmeo digital. Para tanto, algumas variáveis de interesse da instituição de ensino foram escolhidas para medição, como temperatura, intensidade luminosa, tensão e corrente elétrica, abertura de portas e janelas, entrada e saída de pessoas, e umidade. Para monitoramento das variáveis, sistemas microcontrolados baseado em IoT estão em fase projeto para que as informações sejam armazenadas em nuvem, com uma estampa de tempo e informações de interesse. Para aumentar a confiabilidade da medição, cada sistema terá a possibilidade de armazenamento de informação localmente, através de cartão microSD. Cada equipamento atualizará a medição baseada ou em uma taxa de tempo ajustável ou baseado em eventos – isto é, uma mudança no estado do sistema (uma janela se abriu, uma pessoa saiu ou entrou no ambiente), para alimentar um banco de dados.
Neste trabalho, para teste de conceito, foi desenvolvido um protótipo de sensor de temperatura digital, com capacidade de salvamento de dados em nuvem em cartão de memória microSD. O cartão de memória poderá conter um arquivo de configuração Json, que permitirá configurar a taxa de atualização de informação, onde o salvamento será feito e informações sobre rede (IP, SSID, password etc.). Os autores elaboraram o projeto de um sistema embarcado, baseado no microcontrolador ESP32, devido a sua alta capacidade de processamento e confiabilidade, baixo custo, e simplicidade para conexão em rede. O sensor de temperatura escolhido foi o DS18B20, em sua modalidade resistente à água, o que permite que esta medição ambiental possa ser interna ou externa. Este sensor é capaz de medir temperaturas na faixa -55 a 125 °C, o que é adequado para a aplicação, com interface digital I2C, simplificando sua utilização. Foram desenvolvidos o diagrama esquemático e roteamento da placa de circuito impresso através do software Open Source Kicad 6.0, para confecção de um protótipo. O microcontrolador foi programado para realizar as tarefas de medição, acesso ao cartão microSD e conexão Wifi no software Visual Studio Code, com uso de bibliotecas do framework Arduino, ambos de código aberto. O protótipo desenvolvido permite o desenvolvimento de diversos aspectos que serão comuns a todos os sistemas de medição (tensão, corrente, umidade etc.), visto que todos terão a necessidade de conexão Wifi, acesso a cartão microSD, acesso à nuvem etc. Testes preliminares permitiram salvamento das medições com estampa de tempo diretamente pelo Google Sheets, que permite análise direta ou download para utilização em. A estampa de tempo só é possível quando o sistema está conectado à Internet, quando é capaz de solicitar uma estampa de tempo de um servidor NTP (Network Time Protocol ou Protocolo de Tempo para Redes). O protótipo foi concebido com três leds indicadores de estado: o verde para estado do sensor de temperatura, o amarelo para o estado o leitor de cartão microSD, e o vermelho para a conexão wifi. Em caso de falha em algum destes três sistemas, o led respectivo piscará, de modo a alertar o operador. O sistema tem uma pré-configuração embarcada, de modo que será capaz de operar sem um cartão microSD (ou caso o cartão não possuir um arquivo de configuração válido). O sistema será capaz de operar sem cartão microSD, ou sem conexão Wifi (quando a estampa de tempo será perdida). Caso haja uma contingência dupla, ou seja, não haja Wifi ou cartão de memória, o sistema aguardará um tempo predeterminado e reiniciará (para o caso de a Internet ser restabelecida, ou um cartão conectado).
Este projeto contemplou profissionais da UFJF e 2 alunas de Treinamento Profissional (um tipo de programa próprio da UFJF, com objetivo de permitir aperfeiçoamento profissional dos alunos em áreas de interesse específico compatíveis com a habilitação cursada) com dedicação de 12 horas semanais. A abordagem de ensino utilizada foi prática, com a metodologia aprendizagem baseada em projetos, onde pode-se destacar as disciplinas de instalações elétricas, desenho auxiliado por computador, instrumentação eletrônica, software embarcado. A equipe que trabalha com a elaboração e produção dos sensores vem desenvolvendo competências do conjunto Técnico relacionadas ao tópico de Hardwares e Equipamentos (t03), ao produzirem os sensores IoT, e ao conjunto de Suporte, ao trabalharem o tópico Suporte à Informação e Redes (s02), ao lidarem com os dados dos sensores e sua interface com o modelo BIM em estágio Colaborativo. O uso geral do modelo BIM aplicado por esta equipe é a Modelagem de Sistemas de Informação (1210) especificamente relacionados aos sensores, e entre os usos de domínio destacamos a Utilização de Energia (4090), Utilização em Tempo Real (7040) e a Interface BIM/IoT (8050) (BIMEXCELENCE.ORG, 2023). Como resultado preliminar, o trabalho permitiu o desenvolvimento de um protótipo para o estudo de gêmeos digitais, aliando esforços entre pesquisadores da Arquitetura e Engenharia Elétrica. O estado atual permite a medição com estampa de tempo de temperatura de um ambiente, interno ou externo. Diversas competências técnicas foram abordadas para os estudantes, como programação, projeto e confecção de placas de circuito impresso, O desenvolvimento deste trabalho deve tornar mais eficaz e eficiente a gestão das edificações da UFJF, com tecnologia nativa da própria instituição, mediante a cooperação da administração superior, Faculdade de Arquitetura e Faculdade de Engenharia.