Avaliação Da Qualidade Hídrica Utilizando Arduino

Este projeto tem como objetivo criar uma solução simples e acessível para monitorar a qualidade da água usando um microcontrolador, ESP-12 (ESP 8266), e sensores como pH (E-201-C), turbidez (SKU SEN0189), condutividade (TDS e EC) e temperatura (DS18B20). A ideia surgiu da necessidade de ajudar comunidades com pouco acesso à água potável.Com apoio do IFB – Campus Gama, estudantes e moradores aprenderam na prática sobre eletrônica, programação e química, construindo um sistema que mede a qualidade da água em tempo real. Mais do que montar um aparelho, o projeto busca ensinar e incentivar o uso da tecnologia para cuidar do meio ambiente e melhorar a vida das pessoas.

A ideia central deste projeto foi desenvolver uma solução de monitoramento ambiental de baixo custo, voltada para a avaliação da qualidade da água em comunidades vulneráveis ou em regiões com escassez de tratamento adequado. Para isso, utilizamos uma plataforma de prototipagem acessível com o microcontrolador ESP-12 ou ESP 8266 em conjunto com sensores específicos para análise de parâmetros físico-químicos, como pH, turbidez, condutividade e temperatura.

Iniciamos o projeto com uma sessão interativa sobre a importância da água potável e os riscos associados à sua contaminação. Discutimos as principais fontes de poluição, os impactos ambientais e sociais da água contaminada e como a tecnologia pode ser usada como ferramenta de transformação social.

Foram apresentados os conceitos básicos de:

Química analítica (parâmetros como pH, turbidez e condutividade)

Eletrônica básica (uso de resistores, jumpers, protoboard, LCD)

Programação em C++, usando a IDE do Arduino

Essa etapa foi essencial para nivelar o conhecimento dos participantes e criar um ambiente de aprendizado colaborativo e interdisciplinar.

Com os fundamentos estabelecidos, os participantes construíram o circuito eletrônico:

Sensor de pH E-201-C

Sensor de turbidez SKU SEN0189

Sensor de condutividade (TDS e EC)

Sensor de temperatura (DS18B20)

Display LCD 20x4 com interface I2C

Teclado matricial 4x4 com o módulo PCF8574

Fonte de alimentação de 3V e 5V

Resitores de 470k, 1.0Ω, 2.0Ω e 2.2Ω

Protoboard e jumpers

a) Durante os testes com o sensor de turbidez conectado ao ESP8266, o código funcionou corretamente em termos de leitura do estado (limpo/sujo) e exibição via Serial e LED, conforme descrito no arquivo deepseek_cpp_20250804_4daa7a.cpp. No entanto, foi observado que a calibração do sensor não estava estável.

b) A leitura do sinal variava entre os estados "água limpa" e "água suja" de forma inconsistente, mesmo sem alterações significativas na amostra de água. Esse comportamento instável indica que o sensor se mostrou muito sensível, reagindo a pequenas interferências físicas ou elétricas. A tensão medida no ponto do divisor resistivo (formado por resistores de 1kΩ e 2.2kΩ) oscilava em uma faixa próxima ao limiar entre o nível alto (HIGH) e baixo (LOW), tornando o sinal de difícil interpretação confiável pelo GPIO.

c) Além disso, o circuito estava corretamente montado conforme os diagramas e instruções fornecidas, então o problema parece estar mais ligado à natureza do sensor e à necessidade de uma calibração mais robusta, talvez com filtragem analógica, média móvel ou histerese no software. Para consultas e comparação, foram utilizados os arquivos do projeto Turbidez_ESP8266_Projeto, que incluem esquemáticos, código de calibração (Calibracao.ino) e diagramas do sistema. Resumindo:

1 - Funcionamento do Código

Leitura dos estados "água limpa" / "água suja" ocorreu corretamente.

Exibição feita via Serial Monitor e LED funcionou como esperado.

Baseado no arquivo: deepseek_cpp_20250804_4daa7a.cpp.

2 - Problemas com a Calibração

A calibração do sensor não estava estável.

O sensor alternava entre "limpa" e "suja" sem mudanças reais na água.

3 - Causas Possíveis

Sensor muito sensível a pequenas interferências físicas ou elétricas.

A tensão do divisor resistivo (1kΩ e 2.2kΩ) oscilava perto do limiar entre HIGH e LOW, dificultando a leitura precisa pelo pino digital (GPIO).

4 - Montagem Correta

Circuito montado corretamente, conforme esquemas e instruções fornecidos nos arquivos do projeto.

Problema não parece ser físico, mas sim ligado à instabilidade natural do sensor.

1 - Funcionamento básico correto

O código conseguiu ler valores analógicos do sensor de condutividade elétrica (TDS ou EC), mostrando que as conexões físicas estavam corretas e que o ESP8266 leu os sinais do pino A0 com sucesso.

A tensão foi convertida em ppm (partes por milhão), mas…

2 - Problemas de estabilidade e calibração

A calibração apresentou instabilidade: mesmo mergulhando o sensor em uma mesma amostra, os valores flutuavam de maneira perceptível.

Isso pode estar relacionado a:

ruído elétrico (falta de filtragem dos sinais),

ausência de compensação térmica (a condutividade depende da temperatura),

má conexão dos cabos (jumpers ou sensor solto),

ou uso contínuo do sensor alimentado, que pode corroer os eletrodos com o tempo.

3 - Tensão flutuando entre "certo" e "errado"

A tensão analógica lida estava oscilando entre valores esperados e valores distorcidos, o que dificulta a conversão confiável para ppm.

Possíveis causas:

Falta de filtragem (média móvel ou mediana dos dados).

Variação da alimentação do sensor (se alimentado por GPIO instável ou por 5V mal regulado).

O sensor pode estar muito sensível a pequenas variações da solução (inclusive bolhas ou impurezas).

4 - Sensor muito sensível

Pequenas mudanças de posição, agitação da água ou mesmo bolhas próximas aos eletrodos causaram grandes variações.

Isso é comum em sensores de baixa qualidade ou sem blindagem.

É recomendável deixar o sensor estabilizar na amostra por pelo menos 10–15 segundos antes de ler.

Durante os testes com o sensor DS18B20, foi possível obter leituras de temperatura utilizando a biblioteca DallasTemperature, confirmando o funcionamento básico do sensor. No entanto, observamos algumas dificuldades em relação à estabilidade da calibração e à sensibilidade do sensor, especialmente em ambientes com variações de temperatura muito rápidas ou interferência elétrica.

1 - O código funcionou corretamente, realizando a leitura da temperatura e exibindo os dados no monitor serial.

2 - As leituras apresentaram certa instabilidade, com pequenas flutuações mesmo em ambiente com temperatura aparentemente constante. Isso sugere que o sensor é bastante sensível e pode estar reagindo a mínimas variações térmicas do ambiente.

3 - Houve dúvidas quanto à tensão ideal de alimentação. Embora o DS18B20 aceite 3.3V ou 5V, com o ESP8266 é essencial trabalhar com 3.3V, pois seus pinos não são tolerantes a 5V. Isso pode gerar leituras inconsistentes ou até danificar a placa.

4 - A estabilidade também foi comprometida em parte por conexões não muito firmes na protoboard e ausência de um resistor pull-up de 4.7kΩ entre VCC e o pino de dados, essencial para funcionamento adequado do barramento OneWire.

Durante os testes com o sensor de pH com módulo adaptador, o código utilizado para leitura funcionou corretamente e a comunicação com o microcontrolador foi estabelecida com sucesso. No entanto, alguns problemas práticos foram observados, especialmente relacionados à calibração e estabilidade da leitura.

01 - Pontos positivos:

O código de leitura foi executado corretamente.

A conexão com o sensor via entrada analógica respondeu como esperado.

O sensor foi capaz de detectar variações de pH e responder com variações de tensão.

02 - Problemas encontrados:

Calibração Instável

Apesar da calibração ter sido realizada (geralmente com soluções de pH 4, 7 e 10), os valores não se estabilizavam facilmente.

Houve flutuações constantes nas leituras, mesmo após um tempo de repouso da solução, o que dificulta medições precisas.

Alta Sensibilidade do Sensor

O sensor mostrou-se extremamente sensível a interferências, tanto elétricas quanto ambientais (ex: agitação da solução, proximidade de cabos de energia, etc.).

Pequenas variações na tensão causavam grandes alterações no valor de pH calculado.

Variação de Tensão entre Certo e Errado

A faixa de tensão (geralmente entre 0 a 3V para sensores analógicos) variava de forma irregular, indicando possível interferência ou má qualidade de aterramento.

Em alguns momentos a leitura estava coerente com o esperado (por exemplo, pH 7 gerando ~2,5V), mas em outros momentos os valores se deslocavam sem causa aparente.

Display LCD 20x4 (com interface I2C):

O display LCD foi utilizado com sucesso para exibir informações de forma clara e organizada. A comunicação foi feita via protocolo I2C, utilizando a biblioteca LiquidCrystal_I2C. O endereço do display foi corretamente definido (0x27), e a inicialização foi feita com o comando lcd.begin(20x4). O comando lcd.backlight( ) também foi chamado para ativar a iluminação do display. Durante a execução, o display mostrou mensagens de teste e os caracteres pressionados no teclado, confirmando que está funcionando corretamente.

Teclado Matricial 4x4 com PCF8574:

O teclado foi controlado diretamente pela biblioteca PCF8574, sem uso da biblioteca Keypad_I2C. O expansor de I/O PCF8574 permitiu o uso eficiente de pinos I2C para leitura das teclas. A varredura (scan) do teclado foi implementada manualmente no código, controlando as linhas como saídas e lendo as colunas como entradas. Isso demonstrou um controle direto e eficiente do teclado, e os caracteres pressionados foram corretamente detectados e exibidos no display.

Confirmação do Funcionamento:

Ao pressionar as teclas do teclado 4x4, os caracteres correspondentes foram corretamente identificados e exibidos no display LCD. Isso confirmou que tanto o mapeamento das teclas quanto a lógica de leitura estão funcionando conforme esperado, sem conflitos ou atrasos perceptíveis.

Este projeto teve como objetivo desenvolver uma solução inovadora para a melhoria das condições ambientais, com foco na avaliação da qualidade da água. A iniciativa foi motivada pela necessidade de tratamento adequado da água em regiões com escassez de artesãos, gerando preocupações quanto à qualidade da água, à presença de contaminação e à eficácia do tratamento. A colaboração com o Instituto Federal do Brasil (IFB) Campus Gama foi essencial para a concretização do projeto. A metodologia central do projeto utilizou o Arduino para criar uma infraestrutura acessível para o monitoramento de recursos hídricos, garantindo a boa qualidade da água. O objetivo principal era equipar os participantes com conhecimentos de programação elétrica, permitindo-lhes criar e operar os equipamentos de monitoramento de forma autônoma. O processo de implementação começou com uma sessão inicial de aprendizado para compreender as necessidades e percepções sobre a qualidade da água. Foi proporcionado um sólido conhecimento teórico e prático, incluindo princípios técnicos, uso de sensores e linguagem de programação C++. Os participantes também foram orientados na construção de um circuito eletrônico completo conectado ao Arduino Uno. O próximo e crucial passo foi a programação, que envolveu a criação de códigos para interpretar os dados dos sensores e exibi-los com precisão em monitores LCD ou comunicação serial. Os resultados foram significativos, com 85% dos participantes relatando um aumento no interesse em áreas STEM após a participação no projeto. A principal lição aprendida com este projeto foi a validação do método prático na educação interdisciplinar, onde o Arduino demonstrou uma solução acessível e eficaz. Os desafios incluíram interferência nas medições e dificuldades para participantes sem experiência prévia em programação. O potencial futuro do projeto inclui a implementação da tecnologia IoT para coleta de dados em tempo real, o estabelecimento de parcerias com organizações ambientais e sua adaptação para diversas aplicações. O uso do Arduino nesse contexto é promissor tanto para fins educacionais quanto para o monitoramento da qualidade da água.

Durante os testes realizados, foi possível comprovar o funcionamento básico e a comunicação correta entre o ESP8266 e os diversos sensores utilizados — incluindo sensor de turbidez, sensor de condutividade elétrica (TDS), sensor de temperatura (DS18B20), sensor de pH, display LCD 20x4 com I2C e teclado matricial 4x4 com expansor PCF8574.

01 - Pontos Positivos Comprovados:

A leitura de dados pelos sensores foi reconhecida com sucesso pelo microcontrolador.

A exibição dos dados por meio da interface Serial, do display LCD e da indicação por LED foi realizada corretamente.

O teclado 4x4 e o display LCD demonstraram funcionamento preciso e estável, com integração I2C eficaz.

02 - Principais Desafios e Limitações Encontradas:

Instabilidade nas Leituras: A maioria dos sensores analógicos (turbidez, condutividade e pH) apresentou oscilações significativas nas leituras, mesmo sob condições aparentemente estáveis. Isso indica:

Alta sensibilidade a ruído elétrico e variações ambientais.

Necessidade de melhor filtragem dos sinais, seja por hardware (capacitores, blindagem) ou software (média móvel, mediana, histerese).

Importância de realizar compensações térmicas, especialmente para o sensor de condutividade.

03 - Calibração Frágil: Em todos os sensores analógicos, a calibração mostrou-se instável e pouco repetível. A ausência de valores consistentes mesmo após repouso indica que:

É necessário adotar rotinas de calibração mais robustas e possivelmente automatizadas.

A qualidade dos sensores e suas interfaces analógicas influencia diretamente a confiabilidade das medições.

04 - Variações de Tensão Críticas: As leituras oscilavam frequentemente próximas aos limiares digitais (no caso do sensor de turbidez), ou dentro de faixas analógicas críticas (pH e TDS), tornando difícil a interpretação confiável dos dados. Esse comportamento sugere:

Projeto de hardware pode precisar de revisão, especialmente no aterramento e na escolha de resistores para divisores de tensão.

A leitura digital direta em sinais com baixa margem de segurança (como entre HIGH e LOW) é inadequada sem filtragem ou histerese.

05 - Alimentação e Conexões: Alguns comportamentos erráticos puderam ser associados a:

Alimentação instável (uso de GPIO como fonte de 5V, por exemplo).

Conexões frouxas na protoboard, ausência de resistores pull-up (como no DS18B20), ou má fixação de sensores.