Ultrasound Timeline developed by students

PROJETOS COM
ULTRASSOM
T I M E L I N E
MATEUS AUGUSTO SCHNEIDER CASTILHOS

2018
AVALIAÇÃO DA PRECISÃO DOS SENSORES
ULTRASSÔNICOS E DE EFEITO HALL UTILIZADOS
PARA MEDIR VAZÃO DE ÁGUA
Flávia Cousin
ULTRASSOM - T I M E L I N E

AVALIAÇÃO DA PRECISÃO DOS SENSORES ULTRASSÔNICOS E DE
EFEITO HALL UTILIZADOS PARA MEDIR VAZÃO DE ÁGUA
• Estudo comparando três medidores de vazão: mecânico (B); ultrassônico (ToF); e
de efeito Hall.
• Sistema hidráulico fechado e controlado com hidrômetros dispostos em série na
horizontal;
• Ultrassônico:
• Texas Instruments EVM MPS430-FR6047

20 cm
20 cm

-100
-80
-60
-40
-20
0
20
0 2 4 6 8 10 12 14
Erro
(%)
Vazão de referência (l/min)
Curva de erro dos medidores
Hidrômetro
Sensor Hall
Sensor
Ultrassônico

2018
Flávia Cousin
DESENVOLVIMENTO DE UMA PLACA
DE CIRCUITO IMPRESSO PARA
SMART WATER METERS
William Klaus

DESENVOLVIMENTO DE UMA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO PARA
SMART WATER METERS
• Objetivo: desenvolver uma placa de circuito impresso para um smart water
meter usando o microcontrolador da Texas Instruments MSP430 e os módulos S2C
da DIGI para transmissão dos dados usando Zigbee.
• Basear-se na EVM430-FR6047 para elaboração de um circuito para medição de
fluxo com comunicação sem fio S2C (Zigbee);

SMART WATER METERS

SMART WATER METERS
• Dificuldades:
• Carência de conhecimento técnico e experiência (eletrônica avançada;
projeto de circuitos impressos; programação de microcontroladores);
• Resultados:
• Projeto de uma placa similar a EVM430-FR6047 com alguns componentes
trocados por similares do tipo DIP;
• Aparentemente, o módulo de comunicação sem fio (Zigbee) não foi
integrado ao projeto do circuito.
• Não houve manufatura da placa projetada;

2018
AVALIAÇÃO DA PRECISÃO DOS
SENSORES ULTRASSÔNICOS E DE
EFEITO HALL UTILIZADOS PARA
MEDIR VAZÃO DE ÁGUA
Flávia Cousin
DESENVOLVIMENTO DE UM MEDIDOR
ULTRASSÔNICO DE CONSUMO DE ÁGUA
USANDO O PADRÃO ZIGBEE PARA
TRANSMISSÃO DOS DADOS DE CONSUMO
Lucas Barzotto
SMART WATER METERS
William Klaus

DESENVOLVIMENTO DE UM MEDIDOR ULTRASSÔNICO DE CONSUMO DE ÁGUA
USANDO O PADRÃO ZIGBEE PARA TRANSMISSÃO DOS DADOS DE CONSUMO
• Utilização da placa TDC1000-TDC7200EVM para excitação dos sensores ultrassônicos e
aquisição dos ecos;
• Integração com módulo de comunicação sem fio (Zigbee) para transmissão dos dados
para um servidor;
• Estudar a viabilidade da utilização de um sensor ultrassônico como medidor de vazão
residencial;
• Estudar a qualidade da transmissão via protocolo ZigBee para verificar a interferência
desta rede com a rede de outros dispositivos operando na frequência 2,4GHz, como
WiFi, Bluetooth e micro-ondas em uma residência,

• Obtendo o ator de calibração
para o sensor ultrassônico.
1 MHz

Metodologia para validação do sensor ultrassônico
• Medição da vazão do sistema:
• Cálculo da massa específica da água para a temperatura medida;
• Medição do tempo para encher um dado volume de água (não informado);
• Primeiro experimento: utilizado uma caixa d’água para fornecer o fluxo
volumétrico
• Segundo experimento: utilizado uma bomba hidráulica
• Isso foi feito visando observar a influência da vibração da bomba no sensor
ultrassônico, que também possui princípios de vibração para funcionamento.

Resultados - validação do sensor ultrassônico
Variações do ΔTOF de 0,5ns em média;

Variações do ΔTOF de 3ns em média;

Variações do ΔTOF de 0,5ns (caixa d’água) 3ns (bomba) em média;

Resultados - validação
do sensor ultrassônico
Variação de fluxo
volumétrico médio:
1,2431 × 10−6 m3/s

Resultados - validação
do sensor ultrassônico
Variação de fluxo
volumétrico médio:
7,45849 × 10−6 m3/s

Erros de medição de no máximo 2,51% para o caso sem vibração e no máximo
11,02% para o caso com vibração.
Erros de medição são maiores para baixas vazões: 5,43% para o caso sem vibração
e no máximo 33,27% para o caso com vibração.

Metodologia para protocolo Zigbee
• Range Test com todos equipamentos de
interferência desligados; Range Test foi realizado
com apenas os roteadores WiFi ligados, depois com
• Range Test com dispositivos Bluetooth ligados
• Range Test com apenas o micro-ondas ligado;
• Range Test com todos os dispositivos ligados
simultaneamente
• .Duas baterias de testes: 1) com canal que possuía
maior interferência para cada caso; e 2) canal de
menor interferência para cada caso.

Resultados – Interferência protocolo Zigbee

Resultados – Interferência protocolo
Zigbee
Diversos picos nas frequências de
2428MHz e 2426MHz (canal 6 do Wi-Fi).
Canal com baixa interferência é o canal
13 (2415MHz).
Canal com alta interferência é o canal
15 (2425MHz).

Zigbee
24 (2470MHz).
20 (2450MHz).

Zigbee
11 (2405MHz).
21 (2455MHz).

Zigbee
26 (2480MHz).
22 (2460MHz).

Alimentação por pilhas
TDC1000-TDC7200EVM:
Vin = 4,5V
iinst = 35mA
Pinst = 0,1575W.
Xbee,:
Vin = 3,3V
iinst = 40mA
Pinst = 0,132W.

• Relação entre ToF e vazão é proporcional, apresentando baixos erros;
• Porém notou-se necessário tomar cuidado com vibrações no sistema, que
podem proporcionar maiores erros de medição;
• Erros de medição de no máximo 2,51% para o caso sem vibração e no máximo
11,02% para o caso com vibração.
• Xbee:
• Observou-se que interferências devido ao WiFi ou fornos micro-ondas não
apresentaram perdas de dados para certa distância;
• Bluetooth mostrou grande impacto na comunicação ZigBee, além de ser
possível observar a inefetividade da atribuição de canais para este caso;
• Alto consume energético (função sleep);

2018
Flávia Cousin
Lucas Barzotto
SMART WATER METERS
William Klaus
2019
DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR
ULTRASSÔNICO PARA MEDIÇÃO DO NÍVEL DE
LODO EM ETAs E ETEs COM TRANSMISSÃO
DOS DADOS EM REDE SEM FIO ZIGBEE
Alexandre Becker

DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR ULTRASSÔNICO PARA MEDIÇÃO DO
NÍVEL DE LODO EM ETAs E ETEs COM TRANSMISSÃO DOS DADOS EM REDE SEM
FIO ZIGBEE
• Utilização da placa TDC1000-TDC7200EVM para excitação dos sensores
ultrassônicos e aquisição dos ecos;
• Integração com módulo de comunicação sem fio (Zigbee) para transmissão dos
dados para um servidor;
• Múltiplos sensores ultrassônicos e lógica fuzzy para mitigar a interferência de
bolhas de ar ou sólidos em suspensão;

FIO ZIGBEE
1 MHz

FIO ZIGBEE

FIO ZIGBEE
• Distância máxima obtida de 15 cm (ecos muito atenuados para gerar pulso de
parada);

FIO ZIGBEE
• Resultados:
• Sistema não é adequado para a medição de nível em fluido como material em
suspensão em superfícies irregulares ou em profundidades acima de 15cm.
• Supõem-se que isso ocorre por conta da alta frequência do transdutor (1MHz).
• Transdutor piezoelétrico de maior potência.

FIO ZIGBEE
• Placa PGA460-Q1 Ultrasonic Signal Conditioner EVM:
• BOOSTXL-PGA460 gera sinais ultrassônicos.
• Pulso de 30VPP.
• Transdutor muRata MA58MF14-7N de 58.5-KHz.

FIO ZIGBEE
• Transdutor piezoelétrico de maior potência TD40200D
• Para grandes profundidade de rios e lagos
• 40KHz ± 1 KHz e 200 KHz ± 3 KHz.
• Até 500 V
• Usado: 150 V

FIO ZIGBEE
• Não foi possível obter dados
confiáveis de profundidade
• Recomendado :150V. Atingido: 100V

FIO ZIGBEE
• Dificuldades:
• Carência de conhecimento técnico e experiência (eletrônica avançada;
projeto de circuitos impressos; programação de microcontroladores);
• Resultados:
• Baixa profundidade alcançada com TDC1000-TDC7200EVM;
• BOOSTXL-PGA460 e muRata MA58MF14-7N (58.5 kHz) obteve-se a distância
desejada, contudo foi feita medição no ar;
• BOOSTXL-PGA460 e TD40200D tensão abaixo da de operação com e muitas
interferências;
• Hipótese: conforme a Texas Instruments pontuou, tal comportamento pode-se
dever a interferência de possíveis fontes de baixa frequência próximas ao local
de teste ou provenientes das fontes de alimentação;
• Aparentemente, o módulo de comunicação sem fio (Zigbee) não foi
integrado ao projeto do circuito.

2018
Flávia Cousin
Lucas Barzotto
SMART WATER METERS
William Klaus
2019
DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR
ULTRASSÔNICO PARA MEDIÇÃO DO NÍVEL DE
LODO EM ETAs E ETEs COM TRANSMISSÃO
DOS DADOS EM REDE SEM FIO ZIGBEE
Alexandre Becker
VALIDAÇÃO DE UM MEDIDOR
DE VAZÃO DO TIPO
ULTRASSÔNICO
Lucas Barzotto

VALIDAÇÃO DE UM MEDIDOR DE VAZÃO DO TIPO ULTRASSÔNICO
• Placas: EVM430-FR6047 e TDC1000-TDC7200EVM para excitação dos sensores
ultrassônicos e aquisição dos ecos;
• Transdutores ultrassônicos HS0014-000 (1 MHz);
• Objetivo: comparação das vazões de referência da Portaria do Inmetro, obtidas
pelo método gravimétrico, com as do sensor ultrassônico, obtido por meio das
placas, o qual será analisado também a precisão de leitura da vazão de cada
equipamento.
1 MHz

TDC1000-TDC7200EVM (Texas Instruments)

• EVM430-FR6047 utiliza correlação para calcular o ToF;
• Melhor desempenho e maior robustez quando comparado com o método
anterior usando os TDCs (Texas Instruments, 2019).

• Vazões:
• Q1 = 0,025 m3/h
• Q2 = 0,04 m3/h
• Q3 = 4 m3/h
• Q4 = 5 m3/h
• Coleta de até 15 L com
medição de massa de
água e tempo de
escoamento.
• Medição – placas Texas
Instruments.

TDC1000-TDC720EVM
• Vazões entre:
0 e 1 m3/.

TDC1000-TDC720EVM
• Vazões acima de 2
m3/h:
• não foi possível
realizar medições
confiáveis, devido a
uma alta oscilação
da leitura;

EVM430-FR6047

EVM430-FR6047
• Transições no escoamento gerou
a formação de bolhas, levando a
medidas de vazão instantânea
errôneas, inclusive de valores
negativos e de amplitude
elevada.
• Contudo pode-se utilizar de
filtragem digital para mitigar tais
interferências.

EVM430-FR6047
• Matlab – filtro mediano

• Resultados:
• TDC1000-TDC7200EVM apresentou oscilações de alta amplitude nos dados
de medição, portanto foi desconsiderada para os ensaios.
• EVM430-FR6047 apresentou bons resultados, mas com erros percentuais
maiores que os definidos pela Portaria do INMETRO
• As medições via EVM430-FR6047 foi afetada por bolhas, mas podem ser
melhoradas com o uso de filtros digitais.
• A utilização de um filtro mediano reduziu o erro percentual da medição,
porém os erros mantiveram-se acima dos erros máximos permitidos pelo
INMETRO.
• Sugere-se alterações na captação da bomba para reduzir as oscilações
hidrodinâmicas nos experimentos.

2020
DESENVOLVIMENTO MEDIDOR
INTELIGENTE DE NÍVEL DE LODO
Alexandre Becker

DESENVOLVIMENTO MEDIDOR INTELIGENTE DE NÍVEL DE LODO
• Continuação do trabalho utilizando a placa PGA460-Q1 Ultrasonic Signal
Conditioner EVM;
• Tentou-se aumentar a tensão de excitação para 150 VP.
• Resultado: PGA460-Q1 queimado;

• Desenvolvimento de uma nova placa de excitação para os transdutores com o
chip PHA460-Q1;

• Desenvolvimento de uma nova placa de excitação para os transdutores com o
chip PHA460-Q1;
• Microprocessador: ATmega2560;

• Resultados:
• Os sinais elétricos de excitação observados no transdutor com osciloscópio não
era em forma de pulsos, impossibilitando a geração de ondas ultrassônicas;
• Acredita-se que esses problemas estejam relacionados a algum problema do
design do circuito elétrico ou componentes escolhidos adaptados, diferentes dos
usados na placa da Texas Instruments.
• Outra hipótese seria que o sistema esteja sofrendo interferência de possíveis
fontes de baixa frequência próximas ao local de teste ou provenientes das fontes
de alimentação, da mesma forma que ocorria com a placa da Texas
Instruments.

2020
DESENVOLVIMENTO MEDIDOR
INTELIGENTE DE NÍVEL DE LODO
Alexandre Becker
DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE
EMBARCADO PARA UM SENSOR
INTELIGENTE PARA MEDIÇÃO DO
FLUXO DE ÁGUA
Felipe Gerber
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE
UM HIDRÔMETRO INTELIGENTE:
SMART FLOW ULTRA
Rafael Osipi
2021
Gustavo Ramo Tavares
Auxílio em todos os projetos
de Julho/2021 a Junho/2022.
Principalmente em projetos
de circuitos eletrônicos.

DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE EMBARCADO PARA UM SENSOR
INTELIGENTE PARA MEDIÇÃO DO FLUXO DE ÁGUA
• Placa STM32F103C6T6 - ARM Cortex M0 (32 bits);
• Clock de até 72 MHz;
• Limitações encontradas na conversão, como a presença
de poucos módulos contadores (4);

• Placa STM32F407ZGT6 - ARM Cortex M4 (32 bits);
• Clock de até 180 MHz;
• Maior quantidade de periféricos contadores (17);
• Maior utilização de interrupções e divisão das tarefas
realizadas pelo microcontrolador e pelos periféricos;

• Necessidade de comunicação sem fio para envio de
dados:
• Placa STM Nucleo WB55RG - ARM Cortex M4 e M0 (32
bits);
• Módulo Bluetooth 5.2;

STM Nucleo WB55RG -
Resultados
• Clock de 32 MHz;
• Sinal pulsado de 1 MHz
(duty cycle = 50%);

STM Nucleo WB55RG -
Resultados
• Sinal em amarelo refere-
se ao pulso enviado
pelo transdutor 1;
• Sinal em verde refere-se
ao pulso lido pelo
transdutor 2;

STM Nucleo WB55RG -
Resultados
• Geração de dois trens
de pulsos excitatórios
pelo microcontrolador;
• Em vermelho, sinal de
excitação enviado para
transdutor 1;
• Em azul, sinal de
excitação enviado para
transdutor 1;

Resumindo:
• O microcontrolador foi capaz de excitar os transdutores, esperar o tempo de
transmissão e registrar o tempo de chegada após o conversor analógico digital
obter um valor acima do limiar definido.

PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM HIDRÔMETRO INTELIGENTE: SMART FLOW ULTRA

Dificuldade de programar o
microcontrolador STM32.
Problemas com a excitação e leitura
do transdutor.
Por que não utilizar circuitos dedicados
para essa finalidade e, em vez disso,
usar um microprocessador para ler os
valores em seus registradores e enviá-
los para um banco de dados por meio
de comunicação sem fio?

1. ESP32: Via comunicação SPI (8 MHz) sinaliza para o TDC1000 excitar um
transdutor;
2. TDC1000: Excita o primeiro transdutor ultrassônicos com frequência de 1 MHz;
3. TDC1000: O sinal ultrassônico recebido pelo segundo transdutor é amplificado e
digitalizado.
4. TDC7200: Mede o tempo de voo do sinal ultrassônico e o converte em uma
medida de tempo (escala de ps).
5. Processo inverso , i.e. o segundo transdutor é excitado e o primeiro recebe o
sinal ultrassônico.

Pulsos gerados pelo ESP32 (amarelo) e recebidos
pelo segundo transdutor (verde).

Pulsos gerados pelo ESP32 (verde) e
recebidos pelo segundo transdutor
(Amarelo). Os transdutores estavam
distanciados de 3 cm.
Pulsos gerados pelo ESP32 (verde) e
recebidos pelo segundo transdutor
(Amarelo). Os transdutores estavam
distanciados de 10 cm.

Pulsos recebidos pelo
segundo transdutor
considerando a
superfície refletora de A)
aço inoxidável com 120
mVp, B) espelho com 80
mVp e C) plástico polido
(PLA) com 40 mVp.

Resumindo:
• O Smartflow apresentou alguns erros principalmente para vazões abaixo de
10L/min, também encontrado em laboratório. Isso deve-se ao fato de baixas
vazões apresentarem um escoamento com presença de ar.
• Erros de leitura foram na média 10%

DESENVOLVIMENTO DE UM SONAR PARA
DETERMINAÇÃO DA PROFUNDIDADE DA
ÁGUA E PRESENÇA DE PEIXES
João Vítor Pinheiro
Guilherme Relque
Alexandre Becker

DESENVOLVIMENTO DE UM SONAR PARA DETERMINAÇÃO DA PROFUNDIDADE DA

• Ambientes com difícil acesso a fontes de energia.
• Alimentação via baterias;
• BMS ((Battery Management System);
• AP9101 é responsável por proteger as baterias de
sobrecargas, sobrecorrente, sobretensão e
operação anormal;
• XC6804 é um carregador para baterias de íon lítio
que garante carga linear e as protege contra sobre
temperatura.
• STM32WB35CEU7A;
• Inversor de tensão:
• DC 3,7 V para AC 22 V;

• Teste de carregamento da bateria partindo do
estado de 45% de carga (máximo de 4,2 V).

• Regulador de tensão:
• Saída de 3,17 V;
• Conversor boost:
• PWM de 5 V para 13,7
V;
• Inversor de tensão:
• DC 3,7 V para AC 22 V;

• Simulação do
processamento
dos sinais
ultrassônicos
• Geração dos sinais
refletidos via
modelo
matemático com
adição de ruído;
• Filtro passa-banda
digital;
• Envoltória do sinal
ultrassônico para
cálculo do ToF;

• Filtro passa-banda
digital;
• Envoltória do sinal
ultrassônico para
cálculo do ToF;

• A maioria das etapas do circuito foi validada na prática;
• Geração de tensão alternada capaz de excitar o transdutor ultrassônico;
• Regulador de tensão forneceu tensão adequada para o funcionamento do
microcontrolador;
• Conversor boost forneceu tensão de 13 V para a ativação dos MOSFET’s;
• STM32WB geou os sinais de controle do inversor de tensão e realizou a leitura
dos sinais analógicos recebidos.
• Ocorreu erros no sub-circuito de leitura do transdutor, e por conta disso, não foi
possível realizar a leitura de distância corretamente.
• Diodos que realizam a limitação do sinal de entrada foram posicionados de
maneira incorreta na placa;

IMPLEMENTAÇÃO E DE UM SISTEMA DE RECONSTRUÇÃO DE
IMAGEM DE ULTRASSOM E MELHORAMENTO VIA ALGORITMO
SAFT APLICADO A AO MONITORAMENTO DE ESTAÇÕES DE
TRATAMENTO DE ÁGUA E EFLUENTES
Vinicius Fachini
2022
Guilherme Relque
Alexandre Becker

IMPLEMENTAÇÃO E DE UM SISTEMA DE RECONSTRUÇÃO DE IMAGEM DE ULTRASSOM E
MELHORAMENTO VIA ALGORITMO SAFT APLICADO A AO MONITORAMENTO DE
ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA E EFLUENTES.

Devido algumas inconsistências
encontradas durante a revisão da
placa desenvolvida pelo Gustavo um
novo projeto foi desenvolvido.
Inconsistências: um diodo invertido; e
problemas na etapa de recepção e
leitura do sinal, atribuídos ao seu
sistema de filtragem.

O circuito reformulado incorpora etapas de condicionamento, ampliação e filtragem
do sinal, por intermédio de amplificadores operacionais e filtros analógicos.
Manteve a utilização do micro controlador STM32.

Simulação do circuito de
condicionamento e filtragem feita no
Ltspice.
Atenuou as frequências fora da banda
passante de modo eficaz cuja frequência
central é de 58,5kHz.
O circuito também potencializou o ganho
dos sinais nessa mesma frequência, o que
é fundamental para facilitar a detecção
dos pulsos ultrassônicos.

• Problemas no sistema de
alimentação via baterias.
• O circuito não ligava e
portanto, não foi possível
realizar testes com essa
placa.
• Decidiu-se reduzir sua
complexidade para
investigação de outras
funcionalidades.
• Alimentação por fonte
externa.

• PGA460TPWR:
• Detecção de proximidade por
meio de ultrassom;
• Possui um amplificador de baixo
ruído seguido de um amplificador
de ganho variável;
• ESP32 responsável pelas leituras dos
dados captados pelo PGA460;

• Implementação de algoritmo de correlação cruzada
em Python para cálculo do ToF (Time of Flight) do
pulso ultrassônico;
• Com a validação do algoritmo, este foi transposto
para a linguagem C, compatível com o ESP32;
• Implementação de código em C para transmitir os
dados registrados no ESP32 para uma planilha no
Google Sheets;
• Implementação de código em JavaScript no Google
Sheets para recepção e inserção dos dados na
planilha;
• Implementação de código em Python para coletar
os dados da planilha e criar imagem correspondente
ao perfil da sedimentação nos tanques de
decantação das ETAs e ETEs.

• Problemas ao captar o sinal com o microcontrolador;
• Não foi possível a implementação do método Synthetic Aperture Focusing
Technique (SAFT):

2018
Flávia Cousin
2019
DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR ULTRASSÔNICO PARA
MEDIÇÃO DO NÍVEL DE LODO EM ETAs E ETEs COM
TRANSMISSÃO DOS DADOS EM REDE SEM FIO ZIGBEE
Alexandre Becker
VALIDAÇÃO DE UM MEDIDOR DE
VAZÃO DO TIPO ULTRASSÔNICO
Lucas Barzotto
SMART WATER METERS
William Klaus

IMPLEMENTAÇÃO E DE UM SISTEMA DE RECONSTRUÇÃO DE
IMAGEM DE ULTRASSOM E MELHORAMENTO VIA ALGORITMO SAFT
APLICADO A AO MONITORAMENTO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO
DE ÁGUA E EFLUENTES.
Vinicius Fachini
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA
DE MONITORAMENTO E CONTROLE
DAS REDES DE DRENAGEM USANDO
IOT PARA USO EM SMART CITIES
Rubia Nacano
2022 2023
Guilherme Relque
Alexandre Becker
2024

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