Por que a IoT é usada no monitoramento da qualidade da água em tempo real?

O monitoramento da qualidade da água em tempo real usando a Internet das Coisas (IoT) pode economizar milhões para as empresas em recalls de produtos, danos à reputação e multas. Nos Estados Unidos, a violação da Lei da Água Limpa (Clean Water Act) pode resultar em multas que variam de US$ 25.000 a US$ 50.000 por dia. Dispositivos de IoT permitem que a equipe de controle químico colete e monitore dados da qualidade da água em tempo real, evitando assim consequências financeiras negativas.

As indústrias associadas à produção de alimentos e bebidas, produtos farmacêuticos e produtos químicos estão diretamente ligadas ao consumo humano e à saúde, o que as torna os setores mais críticos do ponto de vista do monitoramento da qualidade da água .

A introdução da IoT no monitoramento da qualidade da água é um divisor de águas, desbloqueando recursos como transmissão de dados sem fio e armazenamento de dados em nuvem. Essas funcionalidades levam à redução de custos operacionais em locais remotos onde a presença de pessoal 24 horas por dia não é viável. Proprietários de empresas e organizações de monitoramento ambiental podem visualizar dados em tempo real para garantir a conformidade com as normas. Neste artigo, exploraremos como a introdução de sensores baseados em IoT aprimora as capacidades de monitoramento, seu funcionamento, benefícios, desafios e tendências futuras.

Objetivo da utilização da IoT no monitoramento da qualidade da água

★ A necessidade de monitoramento contínuo

Na abordagem clássica, o controle químico exige a coleta intermitente de amostras de água com uma frequência específica. O intervalo entre cada leitura pode variar de uma hora a várias horas. A alteração na composição química da água entre esses intervalos passa despercebida até que os resultados das amostras sejam obtidos. Os órgãos reguladores estão migrando para o monitoramento contínuo da água, o que resulta em um controle regulatório mais eficaz.

Esses sensores, combinados com monitoramento contínuo e em tempo real, podem acionar ações instantaneamente, controlando os elementos que causam a degradação da qualidade da água.

★ Tomada de decisão em tempo real

Sistemas de monitoramento da qualidade da água baseados em IoT permitem ações imediatas em caso de contaminação. Condições de degradação da qualidade da água podem ser detectadas rapidamente, e a fonte pode ser identificada e isolada. Os sensores de turbidez, pH, cloro e oxigênio dissolvido, em conjunto, fornecem um panorama completo da qualidade da água. Valores de alarme para cada parâmetro podem ser configurados por meio de sistemas de controle que monitoram os dados.

★ Gestão de água orientada por dados

A disponibilidade de um grande conjunto de dados para análise, combinada com ferramentas modernas de IA, pode facilitar um exame aprofundado do sistema. Isso possibilita ações preditivas e preventivas que podem ser tomadas antes que ocorra uma falha na qualidade da água. Qualquer degradação é detectada de forma imediata. Também permite análises de longo prazo, como a identificação de tendências sazonais e fontes recorrentes de poluição.

Além de permitir ações rápidas, também pode ajudar imediatamente a identificar o comportamento de um sensor com problemas de incrustação. Pode ainda prever falhas em equipamentos antes mesmo que elas ocorram.

O que é um sistema de monitoramento da qualidade da água baseado em IoT?

1. Componentes de um sistema baseado em IoT

A implementação prática de um sistema baseado em IoT para uma aplicação específica requer uma combinação de componentes. Todos esses componentes trabalham juntos para formar um sistema funcional.

● Sensores (turbidez, pH, OD, condutividade, TDS)

O monitoramento da qualidade da água envolve a análise de diversos parâmetros físicos e químicos da amostra. Esses sensores geralmente são instalados em tanques e tubulações com água corrente ou estática. Turbidez, pH, oxigênio dissolvido (OD), condutividade e sólidos totais dissolvidos (STD) permitem, em conjunto, a análise da qualidade da água.

• • Turbidez: A presença de material em suspensão na água pode torná-la turva ou opaca. A quantidade desse material em suspensão é detectada usando sensores de turbidez compatíveis com sistemas modernos de IoT. Por exemplo, os sensores de turbidez da Rika (série RK500-07) podem detectar variações mínimas de 0,01 NTU.
  • pH: A medição do pH fornece informações sobre a acidez e alcalinidade da água. Um pH mais baixo significa que a água é ácida. O Rika RK500-12 oferece uma precisão de detecção de 0,01 pH, adequada para a maioria dos sistemas de monitoramento da qualidade da água.
  • DO:A atividade microbiana pode alterar os níveis de oxigênio dissolvido (OD) na água. Além disso, a presença de oxigênio em usinas de energia pode causar danos aos metais. Portanto, sensores ópticos como o RK500-04 podem fornecer valores em tempo real dos níveis de OD na água para manter a química adequada de acordo com os requisitos da aplicação.
  • Condutividade: A presença de íons e a salinidade da água podem ser detectadas usando um medidor de condutividade. Uma condutividade de 0 a 2 mS/cm é adequada para água potável. Portanto, um detector de condutividade elétrica, como o RK500-13, com faixa de 0 a 200 mS/cm (precisão de ±1 a 2%), é crucial para o funcionamento eficiente de sistemas de IoT.
  • TDS:O total de sólidos dissolvidos deve ser <500 mg/L (água potável, diretrizes da OMS), até 2000 mg/L (irrigação) e >10.000 mg/L (salmoura/industrial). A detecção desse valor é crucial para garantir a conformidade com as normas. Normalmente, um sensor de condutividade elétrica (CE), como o sensor de CE/Salinidade RK500-13, também pode detectar o TDS por meio de conversão.

● Gateways e sistemas PLC/SCADA

Os sinais de todos os sensores de qualidade da água são processados ​​e as ações relevantes são tomadas pelo controlador lógico programável (CLP). Em seguida, esses CLPs individuais coletam dados e os enviam para um sistema de monitoramento centralizado, conhecido como SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition - Supervisão, Controle e Aquisição de Dados), que permite a intervenção do operador quando necessário.

● Módulos de comunicação (LoRaWAN, celular, Wi-Fi)

O sistema de monitoramento centralizado pode estar próximo ao local de coleta de dados ou a uma distância considerável, exigindo transmissão sem fio. Para isso, o dispositivo IoT (V-box) possui cartões SIM 4G para enviar os dados coletados pelo PLC para a nuvem via MODBUS TCP/IP. Outras abordagens de comunicação incluem:

• • Curto alcance: Em curtos alcances, o Wi-Fi é o melhor método para transmissão de dados dentro de uma fábrica sem a necessidade de fios.
  • Longo alcance: Para monitoramento remoto, o LoRaWAN oferece comunicação de longo alcance e baixo consumo de energia, sendo ideal para fontes de água rurais e pontos de monitoramento distribuídos.

● Plataforma de armazenamento e análise em nuvem

Todos os dados dos sensores, após passarem pelo módulo de comunicação, são armazenados e analisados. Isso resulta em um monitoramento aprimorado com estudos preditivos. Tudo, desde a manutenção preventiva, o estado dos sensores, os efeitos sazonais e os obstáculos relacionados, é destacado nesta etapa.

2. Princípio de funcionamento

O princípio de funcionamento, quando reunimos todos esses componentes, pode ser convenientemente descrito em um fluxo passo a passo:

• Etapa 1: Coleta de dados
• Etapa 2: Transmissão
• Etapa 3: Armazenamento
• Etapa 4: Visualização
• Etapa 5: Alertas

Benefícios da IoT no monitoramento da qualidade da água em tempo real

✔ Coleta contínua e automatizada de dados

A combinação da IoT com um sistema de monitoramento da qualidade da água em tempo real proporciona vigilância 24 horas por dia, 7 dias por semana. Através da transmissão sem fio de dados, um centro de monitoramento remoto com sistemas SCADA pode receber alertas e dados em tempo real de múltiplos locais. Isso também permite que os proprietários de empresas recebam alertas em tempo real sobre as condições da água através de seus painéis de controle em dispositivos móveis ou na web. Os sensores da RIKA podem fornecer um tempo de resposta de 1 segundo para medições quase contínuas.

✔ Tomada de decisões mais rápida e precisa

Ter sensores de qualidade da água que coletam dados a cada segundo permite uma análise precisa das tendências. Essa análise possibilita a tomada de decisões antes que qualquer parâmetro da água atinja o limite predefinido. Isso pode levar a um menor tempo de inatividade e a decisões mais rápidas. Por exemplo, um sistema integrado de CLP e gateway IoT permite o envio de alarmes em tempo real caso algum parâmetro exceda um limite, como turbidez acima de um determinado valor.5 NTU (QUEM).  

✔ Redução de custos e eficiência no uso de recursos

A amostragem manual pode ser demorada, o que reduz as chances de detecção precoce de quaisquer anormalidades. De acordo com o Journal of Soft Computing Exploration , sensores de TDS (sólidos totais dissolvidos) e turbidez reduziram a carga de trabalho de testes manuais e forneceram resultados precisos com um erro médio de apenas 1,53%. Isso permite a otimização da dosagem de produtos químicos e reduz as necessidades de energia, melhorando os requisitos de retrolavagem dos filtros no processo de tratamento de água.

✔ Integração com sistemas de controle

A incorporação de dispositivos IoT que enviam dados continuamente e executam ações com base nos dados recebidos dos centros de controle possibilita ações de controle automatizadas. Essas ações podem incluir ciclos de retrolavagem, operação de válvulas, dosagem de produtos químicos e troca de membranas, entre outras. O uso de SCADA/PLC permite a automação de processos.

✔ Conformidade regulatória e relatórios

O cumprimento das exigências regulamentares do governo local ou das normas internacionais exige o uso de monitoramento da qualidade da água em tempo real. Para evitar multas elevadas, sérias implicações corporativas e problemas financeiros, é fundamental contar com um sistema que forneça registros históricos em nuvem SCADA. Isso possibilita a criação de trilhas de auditoria e a exportação de dados para os órgãos reguladores.

Desafios e Considerações

Os dispositivos IoT são excepcionais para monitoramento e controle, mas apresentam alguns desafios. Aqui estão alguns dos desafios e considerações a serem levados em conta antes de adotar a forma moderna de monitoramento da qualidade da água:

A. Fonte de alimentação para locais remotos

Caso os sensores sejam instalados em um local remoto, seus equipamentos associados, incluindo um CLP e um módulo de comunicação, precisarão de energia. Em situações sem acesso à rede elétrica, pode ser necessário o uso de energia solar com baterias. Isso pode aumentar o investimento inicial, mas compensa a longo prazo.

B. Preocupações com a segurança e privacidade dos dados

A transmissão de dados pela internet ou sem fio os torna vulneráveis ​​a roubo. Em casos onde a segurança dos dados é um requisito fundamental, como criptografia e uso das mais recentes tecnologias de Wi-Fi e redes celulares (5G), essa tecnologia pode ser benéfica.

C. Limitações de conectividade em áreas rurais/industriais

Sempre haverá lugares onde a conexão de internet celular ou cabeada não estará disponível. Nesses casos, o uso de serviços de internet via satélite é a única solução, que pode ser cara para instalar e manter.

D. Custo de implementação para pequenas empresas de serviços públicos

Para pequenas empresas de serviços públicos, a utilização de sensores e microcontroladores de baixo custo, evitando servidores locais dispendiosos, implementando em fases e aproveitando a infraestrutura compartilhada (por exemplo, hubs SCADA regionais) pode tornar a IoT viável mesmo para pequenas operadoras.

Tendências futuras no monitoramento da qualidade da água por meio da IoT

O rápido crescimento do mundo digital está permitindo que as empresas aumentem a eficiência e melhorem a produtividade. Para se manter à frente dessa curva de crescimento, considere esses aspectos-chave e adapte-os desde já para permanecer relevante.

● Análise preditiva baseada em IA/ML

A Inteligência Artificial (IA) e o aprendizado de máquina (ML) são técnicas modernas para análise preditiva e estudos comportamentais. Esses algoritmos podem analisar o enorme banco de dados em nuvem e identificar padrões na deriva dos sensores ou nos dados de corrente das bombas, permitindo o agendamento de manutenções preventivas e, consequentemente, reduzindo o tempo de inatividade não planejado.

● Integração com Cidades Inteligentes e Gêmeos Digitais

Para cidades que já utilizam dispositivos IoT para controlar e monitorar diversas instalações urbanas, como postes de iluminação, detectores acústicos e câmeras, é possível integrar o monitoramento da qualidade da água em tempo real para aprimorar a conformidade regulatória das indústrias.

● Sustentabilidade e Computação de Borda para Processamento Mais Rápido

Esses sistemas estão se inclinando para o uso de uma configuração de IoT de baixo consumo (29 W) projetada para operação contínua com pegada energética mínima, alinhando-se aos objetivos de sustentabilidade. Sistemas confiáveis ​​baseados em CLP exigem menos intervenção manual, reduzindo o deslocamento para locais remotos (diminuindo a pegada de carbono). Além disso, CLPs e gateways de IoT locais podem processar alarmes no local, permitindo que decisões sejam tomadas sem esperar pelo processamento na nuvem — isso é, efetivamente, computação de borda. Também pode garantir que ações críticas (como fechar uma válvula) sejam executadas mesmo se a conectividade com a internet for perdida.

Conclusão

A transição para o uso da IoT no monitoramento da qualidade da água é inevitável. Ela já foi adotada por redes de monitoramento de lagos e rios (Europa e EUA), cidades inteligentes da água (Singapura) e pela Estação de Tratamento de Esgoto de Pagla, da Dhaka WASA. O objetivo dessas iniciativas é tornar o monitoramento eficiente e sustentável. A adição de recursos como IA e ML para dados em nuvem pode fornecer informações valiosas que seriam difíceis de obter apenas com intervenção humana.

Sensores e dispositivos de IoT já possibilitam manutenção preventiva, controle preciso, vigilância aprimorada e gerenciamento remoto. Marcas como a RIKA oferecem serviços completos para uma solução integrada de monitoramento da qualidade da água em tempo real. Seus sensores são de qualidade superior, com uma das maiores precisões e resoluções do setor, de acordo com os padrões da indústria.

Perguntas frequentes (FAQs)

P1: Quais parâmetros o monitoramento da qualidade da água por IoT pode medir?

O monitoramento da qualidade da água por meio da IoT consiste principalmente no monitoramento de parâmetros como turbidez, pH, OD (oxigênio dissolvido), condutividade e TDS (sólidos totais dissolvidos). Esses parâmetros fornecem uma visão completa das condições da qualidade da água. Organizações internacionais geralmente estabelecem limites para esses parâmetros, e o monitoramento desses limites garante a conformidade com as regulamentações.

P2: O monitoramento por IoT é adequado para sistemas de água potável?

O uso da IoT no monitoramento do sistema de água potável é altamente recomendado. É o método mais avançado para manter as propriedades da água potável. Uma pequena alteração é prontamente detectada pelo algoritmo de IA e ML. Isso permite a dosagem de produtos químicos e a identificação da fonte de contaminação em tempo real, sem demora.

P3: A IoT pode reduzir os custos do tratamento de água?

Sim, o uso de dispositivos IoT pode reduzir custos, diminuindo a necessidade de coletas de amostras periódicas que exigem mão de obra especializada. Em áreas remotas, as visitas frequentes são drasticamente reduzidas. Além disso, podem diminuir o consumo de produtos químicos e viabilizar a manutenção preditiva. No geral, isso pode reduzir os custos de mão de obra, operacionais e de manutenção para o setor de tratamento de água.

Q4: Qual é o alcance típico de um sensor de qualidade da água para IoT?

Normalmente, um sensor de qualidade da água para IoT, como os da Rika, oferece sensores de turbidez (RK500-07) que medem de 0 a 4000 NTU, sensores de pH (RK500-12) que geralmente medem de 0 a 14 pH com resolução de 0,01 pH, sensores de oxigênio dissolvido (OD) (RK500-13) que suportam uma faixa de medição de 0 a 20 mg/L, sensores de condutividade (RK500-23) que cobrem de 0 a 20 mS/cm com múltiplas opções de faixa (personalizáveis ​​para água com baixa/alta salinidade). Sensores de TDS são geralmente usados ​​até 1000 ppm ou mais para classificação da água.

Q5: Quão segura é a transmissão de dados da IoT?

Os sistemas modernos utilizam protocolos de comunicação criptografados (como TLS, HTTPS, VPN ou MODBUS sobre TCP/IP seguro) e redes celulares com autenticação por SIM. Isso dificulta o roubo de dados. Além disso, firewalls, sistemas de detecção de intrusão e atualizações regulares de firmware mantêm os sistemas protegidos contra ameaças modernas. O sistema avançado utilizará agentes de IA para detectar ataques.