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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
MONITORAMENTO E CONTROLE DO PROCESSO DE BRASSAGEM NA FABRICAÇÃO DE CERVEJAS ARTESANAIS
Área de Sistemas Embarcados
por
Rafael Baby Faé
Douglas Rossi de Melo, M.Sc. Orientador
São José (SC), junho de 2016
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
MONITORAMENTO E CONTROLE DO PROCESSO DE BRASSAGEM NA
FABRICAÇÃO DE CERVEJAS ARTESANAIS
Área de Sistemas Embarcados
por
Rafael Baby Faé
Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Ciência da
Computação para análise e aprovação. Orientador: Douglas Rossi de Melo, M.Sc.
São José (SC), junho de 2016
ii
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
MONITORAMENTO E CONTROLE DO PROCESSO DE BRASSAGEM NA
FABRICAÇÃO DE CERVEJAS ARTESANAIS
Rafael Baby Faé
São José, junho de 2016.
Orientado: Douglas Rossi de Melo, M. Sc.
Área de Concentração: Sistemas Embarcados
Linha de Pesquisa: Automação de Sistemas
Palavras-chave: Cerveja Artesanal, Brassagem, Automação.
Número de páginas: 75
iii
RESUMO
Com a popularização das cervejas artesanais e o respectivo aumento da oferta desse tipo de
cerveja, houve também aumento do interesse na produção e na busca de tecnologias que possam auxiliar o processo de fabricação. A evolução tecnológica vem possibilitando o desenvolvimento de
soluções que auxiliam os micro cervejeiros artesanais, indo desde softwares que instruem o cervejeiro durante a produção até equipamentos completos que automatizam todo o processo. Durante o processo de fabricação de cerveja, uma das etapas que pode ser automatizada é a
brassagem, que consiste em produzir uma solução denominada mosto a partir do cozimento do malte em água e fervida com lúpulo. Durante essa etapa, é necessário o monitoramento do tempo e
pH e controle da temperatura, a fim de realizar a extração dos açúcares que estão contidos no malte, para que então torne-se cerveja. Esse processo pode ser realizado de forma manual, porém, com o maior acesso a plataformas microcontroladas, sensores e atuadores, a automatização dessa etapa
torna-se mais acessível e com um baixo custo ao micro cervejeiro. Com vista ao problema mencionado, esse projeto apresenta uma plataforma composta de recipiente, no qual foram
conectados sensores e atuadores com o propósito de monitorar e controlar o processo de brassagem, utilizando o Arduino como plataforma microcontrolada e um sistema para auxilio ao usuário onde é possível monitorar o processo. Após o desenvolvimento da solução, foram realizados testes com o
objetivo de validar o projeto desenvolvido, os quais apresentaram resultados dentro do esperado. Por fim, pode-se considerar que a solução proposta auxilia o cervejeiro artesanal no monitoramento
do tempo e pH e controle de temperatura durante a fase de brassagem.
iv
ABSTRACT
With the popularization of crafted beers and the respective increase in the supply of this type of beer, there was also an increased interest in the production and search for technologies that can
assist the manufacturing process. Technological evolution is enabling the development of solutions that help microbreweries, ranging from software to instruct the brewer during production to
complete systems that automate the entire process. During the brewing process, one of the steps that can be automated is the mashing, which produces a solution, called wort, from cooking malt in water and boiling with hops. During this stage, the monitoring of time and pH and control of
temperature is required, in order to extract the sugars contained in the malt, so that it turns into beer. This process can be done manually, but with greater access to microcontrolled platforms,
sensors and actuators, the automation of this step becomes more accessible coming at a lower cost to the microbrewer. Regarding this problem, this project presents a platform consisting of a recipient, where sensors and actuators were connected with the goal of controlling the mashing
process, using the Arduino as a microcontrolled platform and a system to aid the user in monitoring the process. After the solution was developed, tests were performed having as a goal the validation
of the project, which yielded the expected results. Lastly, it can be considered that the proposed solution aids the microbrewer in monitoring the time and pH and controlling of the temperature during the mashing process.
Keywords: Crafted Beer. Mashing. Automation.
v
SUMÁRIO
ABSTRACT .....................................................................................................iv
LISTA DE ABREVIATURAS.................................................................... vii
LISTA DE FIGURAS.................................................................................. viii
LISTA DE EQUAÇÕES ................................................................................. x
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 1
1.1 PROBLEMATIZAÇÃO ............................................................................... 3
1.1.1 Formulação do Problema ........................................................................... 3
1.1.2 Solução Proposta ........................................................................................ 3
1.2 OBJETIVOS ................................................................................................. 4
1.2.1 Objetivo Geral ............................................................................................ 4
1.2.2 Objetivos Específicos .................................................................................. 4
1.3 METODOLOGIA ......................................................................................... 5
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO................................................................... 5
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................... 7
2.1 CERVEJA ..................................................................................................... 7
2.2 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE CERVEJA ......................................... 8
2.2.1 Elaboração ................................................................................................ 10
2.2.2 Brassagem................................................................................................. 11
2.2.3 Moagem .................................................................................................... 12
2.2.4 Mostura .................................................................................................... 12
2.2.5 Filtragem do Mosto .................................................................................. 14
2.2.6 Fervura ..................................................................................................... 15
2.2.7 Separação do Trub ................................................................................... 15
2.2.8 Resfriamento ............................................................................................ 15
2.2.9 Fermentação ............................................................................................. 16
2.2.10 Maturação ................................................................................................ 16
2.2.11 Envase....................................................................................................... 17
2.3 AUTOMAÇÃO ........................................................................................... 17
2.3.1 Controle .................................................................................................... 18
2.3.2 Sensores e Atuadores ................................................................................ 19
2.4 PLATAFORMAS DE COMPUTAÇÃO EMBARCADA ........................... 24
2.4.1 Raspberry Pi ............................................................................................. 24
2.4.2 Arduino..................................................................................................... 25
2.4.3 BeagleBone Black ..................................................................................... 27
2.5 PLATAFORMAS MÓVEIS ....................................................................... 28
3 TRABALHOS RELACIONADOS ........................................................ 31
3.1 BREWPI ..................................................................................................... 32
vi
3.2 AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE UMA MICROCERVEJARIA
ARTESANAL..................................................................................................... 32
3.3 INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DO PROCESSO DE PRODUÇÃO
DE UMA MICROCERVEJARIA ...................................................................... 33
3.4 COMPARATIVO ....................................................................................... 34
4 Desenvolvimento ........................................................................................ 35
4.1 ANÁLISE GERAL DO PROJETO ............................................................ 35
4.2 ESCOPO ..................................................................................................... 37
4.3 REQUISITOS DO SISTEMA ..................................................................... 37
4.3.1 Requisitos Funcionais ............................................................................... 37
4.3.2 Requisitos Não Funcionais........................................................................ 38
4.4 MODELAGEM........................................................................................... 38
4.4.1 Casos de Uso ............................................................................................. 38
4.4.2 Diagrama de Classes ................................................................................. 39
4.4.3 Diagrama de Sequência ............................................................................ 41
4.4.4 Mensagens ................................................................................................ 42
4.5 TECNOLOGIAS UTILIZADAS NA PROTOTIPAÇÃO DO SOFTWARE .. ............................................................................................................ 43 4.5.1 Sistema Operacional Android .................................................................. 43
4.5.2 SQLite....................................................................................................... 43
4.6 PROTOTIPAÇÃO DO HARDWARE ........................................................ 43
4.6.1 Smartphone Android ................................................................................ 44
4.6.2 Arduino..................................................................................................... 44
4.6.3 Sensor de temperatura DS18B20 .............................................................. 45
4.6.4 Sensor de pH............................................................................................. 46
4.6.5 Módulo RTC DS1307................................................................................ 47
4.6.6 Módulo Bluetooth HC-05.......................................................................... 47
4.6.7 Resistência Elétrica................................................................................... 48
4.6.8 Relé ........................................................................................................... 48
4.6.9 Protótipo do Recipiente ............................................................................ 49
4.6.10 Interface do Sistema ................................................................................. 50
4.7 AVALIAÇÃO E RESULTADOS................................................................ 54
4.7.1 Casos de Teste de Software....................................................................... 54
4.7.2 Caso de Teste de Controle e Monitoramento de Temperatura................. 56
4.7.3 Casos de Teste de Monitoramento de Tempo e pH................................... 58
4.7.4 Casos de Teste de Comunicação ............................................................... 59
4.7.5 Análise dos Resultados ............................................................................. 60
5 CONCLUSÕES ......................................................................................... 61
5.1 TRABALHOS FUTUROS .......................................................................... 61
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................... 63
vii
LISTA DE ABREVIATURAS
ARM Acorn RISC Machine BNC Bayonet Neill Concelman
CISC Complex Instruction Set Computer CLP Controlador Lógico Programável
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor CO2 Dióxido de Carbono EUA Estados Unidos da América
GB Gigabyte H Hidrogênio
IDE Integrated Development Environment LED Light Emitting Diode MB Megabyte
MHZ Megahertz MIPS Microprocessor without interlocked pipeline stages
NTC Coeficiente Negativo de Temperatura PDA Personal Digital Assistant PID Proporcional Integral Derivativo
PH Potencial Hidrogeniônico PTC Coeficiente Positivo de Temperatura
RAM Random Access Memory RF Requisito Funcional RISC Reduced Instruction Set Computer
RNF Requisito Não Funcional RTC Real Time Clock SDK Software Development Kit
SO Sistema Operacional TCC Trabalho de Conclusão de Curso
TV Televisão UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro UML Unified Modeling Language
UNIVALI Universidade do Vale do Itajaí USB Universal Serial Bus
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Visão geral ............................................................................................................................ 4 Figura 2. Estilos de cerveja .................................................................................................................. 8
Figura 3. Processo de fabricação de cerveja ........................................................................................ 9 Figura 4. Guia do processo de fabricação .......................................................................................... 10
Figura 5. Relação de temperatura e pH no favorecimento das enzimas ............................................ 14 Figura 6. Conceito de sistema automatizado...................................................................................... 18 Figura 7. Controle PID de um processo. ............................................................................................ 19
Figura 8. Exemplo da Saída de sinal de um sensor de temperatura analógico .................................. 20 Figura 9. Exemplo da Saída de sinal de um sensor de temperatura digital ........................................ 20
Figura 10. Representação da simbologia dos termistores .................................................................. 21 Figura 11. Curva típica de um termistor ............................................................................................ 22 Figura 12. Escala de pH ..................................................................................................................... 23
Figura 13. Estrutura relé ..................................................................................................................... 23 Figura 14. Placa Raspberry Pi ............................................................................................................ 25
Figura 15. Placa Arduino ................................................................................................................... 27 Figura 16. Placa BeagleBone Black ................................................................................................... 28 Figura 17. Tela principal do Android................................................................................................. 29
Figura 18. Tela principal IOS............................................................................................................. 30 Figura 19. Tela principal do Windows Phone.................................................................................... 31
Figura 20. BrewPi .............................................................................................................................. 32 Figura 21. Arquitetura do sistema de controle de temperatura .......................................................... 33 Figura 22. Arquitetura de instrumentação utilizada ........................................................................... 34
Figura 23. Fluxo do processo no Arduino.......................................................................................... 36 Figura 24. Componentes adotados na solução proposta .................................................................... 37 Figura 25. Caso de uso ....................................................................................................................... 39
Figura 26. Diagrama de classe ........................................................................................................... 40 Figura 27. Diagrama de sequência ..................................................................................................... 41
Figura 28. Smartphone Samsung Galaxy 3 ........................................................................................ 44 Figura 29. Arduino Uno ..................................................................................................................... 45 Figura 30. Sensor de Temperatura DS18B20..................................................................................... 46
Figura 31. Sonda e módulo de pH para Arduino................................................................................ 46 Figura 32. Módulo RTC DS1307 ....................................................................................................... 47
Figura 33. Módulo Bluetooth ............................................................................................................. 47 Figura 34. Resistência Elétrica ........................................................................................................... 48 Figura 35. Relé ................................................................................................................................... 48
Figura 36. Recipiente ......................................................................................................................... 49 Figura 37. Integração dos componentes com o recipiente ................................................................. 50
Figura 38. Monitoramento de receita ................................................................................................. 51 Figura 39. Cadastro de receita ............................................................................................................ 52 Figura 40. Listagem de receitas.......................................................................................................... 53
Figura 41. Monitoramento de receita ................................................................................................. 54
ix
LISTA DE QUADROS
Quadro 1.Comparativo de Trabalhos Relacionados. .......................................................................... 34 Quadro 2. Mensagem: Rampa de temperatura. .................................................................................. 42
Quadro 3. Mensagem: Aguardar início da brassagem. ...................................................................... 42 Quadro 4. Mensagem: Iniciar brasagem. ........................................................................................... 42
Quadro 5. Mensagem: Monitoramento. ............................................................................................. 42 Quadro 6. Detalhamento do caso de teste: Cadastrar receita. ............................................................ 55 Quadro 7. Detalhamento do caso de teste: Selecionar receita. ........................................................... 55
Quadro 8. Detalhamento do caso de teste: Iniciar receita. ................................................................. 55 Quadro 9. Detalhamento do caso de teste: Monitorar etapa. ............................................................. 56
Quadro 10. Detalhamento do caso de teste: Acompanhar etapa. ....................................................... 56 Quadro 11. Detalhamento do caso de teste: Controlar temperatura durante a mostura I. .................. 56 Quadro 12. Detalhamento do caso de teste: Controlar temperatura durante a mostura II. ................ 57
Quadro 13. Detalhamento do caso de teste: Monitorar tempo. .......................................................... 58 Quadro 14. Detalhamento do caso de teste: Monitorar pH. ............................................................... 58
Quadro 15. Detalhamento do caso de teste: Enviar rampas de temperatura. ..................................... 59 Quadro 16. Detalhamento do caso de teste: Iniciar brassagem. ......................................................... 59 Quadro 17. Detalhamento do caso de teste: Monitoramento. ............................................................ 60
x
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 ........................................................................................................................................... 21 Equação 2 ........................................................................................................................................... 22
Equação 3 ........................................................................................................................................... 23
1 INTRODUÇÃO
No Brasil, o mercado de cerveja está em constante crescimento, incluindo as cervejas
artesanais, cuja a produção é mais elaborada e com um custo mais elevado. Atualmente, as
cervejarias artesanais representam cerca de 1% do volume de cervejas produzido no Brasil. Já nos
EUA são 7,8% do volume e 14,3% do faturamento do setor cervejeiro (SAMOR, 2015).
Segundo Franzen e Fernandes (2011), o processo de fabricação de cervejas artesanais
contém as seguintes fases: elaboração, moagem do malte, brassagem, filtragem, fervura,
resfriamento, aeração e inoculação do fermento, fermentação, maturação e engarrafamento. Na fase
de brassagem há o cozimento dos ingredientes que irão transformar a mistura de água e malte em
um mosto cervejeiro. Conforme Palmer (2006), o cozimento desses ingredientes faz com que as
enzimas que estão presentes no malte quebrem os açúcares não fe rmentáveis em açúcares
fermentáveis, sendo esses os mais favorecidos em determinadas faixas de pH. A temperatura nessa
etapa irá favorecer a liberação de enzimas que irão quebrar esses açúcares, e o tempo será
responsável pela quantidade de enzimas que serão liberadas.
Para Fix (1999), o processo de transformação dos ingredientes em mosto, consiste em
realizar o cozimento dos ingredientes, água e malte, em um determinado intervalo de tempo e com
uma temperatura controlada, que é determinada pelo pH da água. Segundo Palmer (2006), para
realizar o cozimento é necessário utilizar equipamentos como panela, termômetro, um relógio para
o controle do tempo e uma fonte de calor, seja ela uma chama de fogão ou resistência elétrica.
Durante o cozimento, são realizadas medições de temperatura para que seja tomada a ação de
aumentar ou reduzir a fonte de calor, ao longo de um dado período de tempo, a fim de manter a
temperatura na faixa desejada.
Atualmente, existem no mercado vários controladores e sensores que realizam diversas
funções, sendo esses acessíveis e com um custo relativamente baixo. Com o atual crescimento do
setor de automação, 30% anual, segundo pesquisa realizada pela Associação Brasileira de
Automação Residencial (MATOS, 2012), quem pretende produzir algum produto sem ter o
processo automatizado, acaba ficando para trás no mercado competitivo.
A automação pode ser observada nas residências, na rua, no trabalho e no lazer. É utilizada
para economizar energia, aumentar a qualidade do produto, reduzir as perdas, reduzir custos e
2
aumentar a quantidade, visando sempre uma produção com as mesmas características. O conceito
de automação consiste na comunicação de equipamentos, o que proporciona benefícios ao ambiente
e ao consumidor. É possível realizá- la em quase todas as fases de um processo de fabricação ou
produção em geral, desde o chão de fabrica ao gerenciamento corporativo (MATOS, 2012).
Um dos processos de produção que pode ser automatizado é o processo de fabricação de
cerveja, pois o mesmo necessita de um controle e monitoramento de temperatura, tempo e pH. A
automatização desse processo pode permitir o controle tempo e proporcionar o aumento no volume
de produção, dando segurança ao processo e podendo contribuir para o aumento da qualidade do
produto final. A realização do controle e monitoramento desse processo pode garantir que durante o
processo de fabricação, não haja a perda da produção com a variação da temperatura, haja um
aumento na eficiência de liberação dos açúcares desejados para cada tipo de cerveja com a
manutenção da temperatura por um determinado período de tempo, padronização do processo com
o objetivo de realizar uma receita sempre da mesma forma a fim de obter um produto sempre com
as mesmas características.
Atualmente existem equipamentos que realizam a automação de todo o processo de
fabricação de cerveja, tanto para a indústria como para micro cervejarias. No entanto esses
equipamentos possuem um preço elevado, inviabilizando a aquisição para quem deseja realizar uma
produção artesanal de cerveja. Algumas das soluções para os micro cervejeiros são recipientes que
realizam a moagem, cozimento e maturação. Entretanto, esses equipamentos possuem uma interface
complexa de iteração com o usuário.
A solução proposta neste trabalho foi realizar a automação do processo de brassagem na
fabricação de cerveja, desenvolvendo um recipiente que monitore o tempo e pH e controle a
temperatura durante o cozimento dos ingredientes. O recipiente se comunica com um aplicativo que
foi desenvolvido com o objetivo de enviar ao usuário as informações coletadas pelos sensores e
receber informação para controlar a temperatura da mistura. O aplicativo desenvolvido tem como
objetivo auxiliar o usuário durante o processo de fabricação da cerveja, fornecendo ao mesmo
informações coletadas pelos sensores, instruções sobre o processo e opção de armazenar diversas
configurações para cada tipo de cerveja que o mesmo pretende produzir.
3
1.1 PROBLEMATIZAÇÃO
1.1.1 Formulação do Problema
Ambientes industriais tais como cervejarias, possuem processos automatizados para o
controle e monitoramento de cada etapa do processo de fabricação. No entanto para cervejeiros
artesanais a automatização tem um custo elevado e requer um ambiente espaçoso para a instalação
dos equipamentos, tornando-se assim inviável a aquele que deseja ter uma produção pequena e de
baixo custo. Portanto, o monitoramento e controle de cada etapa do processo de fabricação é
usualmente realizado de forma manual. Dentre as etapas do processo de fabricação de cerveja
artesanais, a brassagem é uma das etapas que geralmente exige um rigoroso processo de
monitoramento e controle, sendo necessário monitorar tanto o tempo e pH como realizar o controle
da temperatura.
Atualmente existem soluções que permitem ao cervejeiro artesanal realizar a sua produção
de forma autônoma, porém são equipamentos de custo elevados. Cervejeiros artesanais participa m
de cada etapa do processo, para dar ao produto final características próprias, todavia, como o
processo de brassagem requer o controle de temperatura, a automação desse processo pode
proporcionar maior qualidade ao produto final.
1.1.2 Solução Proposta
A solução proposta consistiu em implementar um sistema para automatizar o processo de
brassagem na fabricação de cervejas artesanais, desenvolvendo um recipiente que permite monitorar
o tempo e pH e controlar a temperatura durante o cozimento dos ingredientes. O mesmo irá se
comunicar com um aplicativo que foi desenvolvido com o objetivo de enviar ao usuário as
informações coletadas pelos sensores e receber informação para controlar a temperatura da solução
de água e cereais. O aplicativo tem como objetivo auxiliar o usuário durante o processo de
fabricação da cerveja, dando ao mesmo informações coletadas pelos sensores, instruções sobre o
processo e opção de armazenar receitas de cada tipo de cerveja que o mesmo pretende produzir.
A Figura 1 apresenta de forma geral e simplificada como é a estruturado do sistema. O
usuário, utiliza o aplicativo, solicitando o acionamento ou ajuste de configurações do
microcontrolador, sendo que esta solicitação é enviada para o aplicativo que será responsável por
intermediar a comunicação entre o usuário e o módulo.
4
Figura 1. Visão geral
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Desenvolver um sistema para auxilio no processo de fabricação do mosto cervejeiro,
permitindo monitorar o tempo e pH e controlar a temperatura durante a fase de brassagem do
processo de fabricação de cervejas artesanais.
1.2.2 Objetivos Específicos
Monitorar a temperatura no processo de brassagem;
Monitorar o tempo de cozimento do processo;
Monitorar o pH;
Automatizar o controle de temperatura durante o cozimento da solução, utilizando uma
resistência elétrica; e
Desenvolver a interface do usuário.
5
1.3 Metodologia
Para alcançar os objetivos específicos citados anteriormente, foram realizadas as seguintes
tarefas: pesquisas bibliográficas, estudos, seleção e descrição de projetos, codificação do software
para o Arduino e Android, testes e validação.
A pesquisa bibliográfica teve por objetivo levantar livros, artigos e sites para a
fundamentação teórica deste trabalho, sendo ainda pesquisados trabalhos e projetos similares, com a
finalidade de se conhecer o estado da arte dos conceitos abordados. Depois de reunido o material de
pesquisa foi realizado um estudo sobre alguns temas, dentre os quais se pode-se citar: Cerveja,
, foi realizada a modelagem do sistema
desenvolvido, incluindo os requisitos funcionais e não-funcionais, casos de uso, diagrama de
sequencia e diagrama de classes.
Com a modelagem do sistema, foi possível a implementação do software de baixo nível
embarcado na placa Arduino e o desenvolvimento do sistema de comunicação com o
microcontrolador. Depois de concluída a integração, testes foram realizados para validar o sistema.
1.4 Estrutura do trabalho
Este trabalho está estruturado em cinco capítulos: Introdução, Fundamentação Teórica,
Trabalhos Relacionados, Desenvolvimento e Conclusões.
O Capítulo 1, Introdução, apresentou uma visão geral do trabalho, trazendo uma
contextualização breve sobre os conceitos abordados. Ainda neste capítulo foram apresentadas uma
descrição do problema e a solução proposta, como também os objetivos do trabalho.
No Capítulo 2, Fundamentação Teórica, é apresentada uma revisão bibliográfica sobre
conceitos essenciais para elaboração deste trabalho, dos quais se destacam Cerveja, P rocesso de
Fabricação de Cerveja, Automação, Plataformas de Computação Embarcadas e Plataformas de
Dispositivos Móveis.
O Capítulo 3, Trabalhos Relacionados, descreve soluções para a automação do processo de
produção de cervejas, que foram analisadas e comparadas com a solução proposta.
6
O Capítulo 4, Desenvolvimento, apresenta o projeto detalhado do sistema desenvolvido,
incluindo o levantamento de requisitos, diagrama de classe e sequência, tecnologias utilizadas para
o desenvolvimento da solução, protótipo do recipiente, software desenvolvido e como é realizada a
integração deste com o microcontrolador. Nesse capítulo ainda são descritos os casos de teste,
considerando os requisitos funcionais e não funcionais, seguido da validação e verificação do
sistema e a análise dos resultados.
Por fim, o último capítulo apresenta as conclusões destacando os resultados obtidos durante
o desenvolvimento e as sugestões de trabalhos futuros.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A fundamentação teórica deste trabalho aborda os conceitos de Fabricação de Cerveja,
Sensores, Atuadores, Microcontroladores e Plataformas Móveis.
2.1 Cerveja
A cerveja é uma bebida alcoólica que muitos acreditam que tenha surgido no Oriente Médio
ou Egito na época dos faraós. Essa conclusão é tirada a partir de escavações realizadas nas tumbas,
onde foram encontrados vasos com resquícios de cevada. Para Morado (2009), a cerveja deve ter
sido descoberta por acaso, diante da sequência das etapas do seu processo de fabricação. Ela é
derivada da extração de açúcares fermentáveis de cereais em água e aromatizada, para que
posteriormente seja fermentado com a utilização de leveduras, que irão consumir os açúcares
obtidos e liberar
alcoólica, fermentada, obtida do açúcar da cevada e aromatizada com lúpulo ainda segundo
Beckhauser (1984), a cerveja também pode ser produzida a partir de cereais como arroz, trigo,
centeio, milho e o sorgo integral, sendo esses em flocos ou triturado. Podendo ser classificada em 5
itens: Fermentação, Extrato Primitivo, Cor, Teor Alcoólico e Teor de extrato final, segundo
SINDICERV (2015).
Conforme Hughers (2014) existem dois principais tipos de cerveja : as Ale e Lager. As Ale
são cervejas que utilizam de leveduras que trabalham a temperaturas mais altas entre 18 a 22ºC, seu
processo de fermentação ocorre no topo da cerveja formando uma espuma grossa. Já as Lagers são
cervejas que utilizam de leveduras que trabalham a baixa temperatura entre 7 e 14ºC, seu processo
de fermentação ocorrendo no fundo da cerveja, e por assim sendo mais lento. Palmer (2006, p. 239)
ainda conc
(Pilsen e Indi vejas conforme seu
amargor e aroma.
8
Figura 2. Estilos de cerveja
Fonte: Palmer (2006).
2.2 Processo de Fabricação de Cerveja
O processo de fabricação de cerveja envolve uma sequência de etapas das quais podem ser
divididas em: Moagem, Mostura, Filtragem do Mosto, Fervura, Separação do Trub, Resfriamento,
Fermentação, Maturação, Armazenamento, Envase e Distribuição. Conforme a Figura 3, essas
etapas fazem parte tanto da fabricação de cervejas em escala artesanal, quanto em indústrias
cervejeiras. O processo de fabricação de cerveja é simples, bastando moer a cevada maltada,
colocar em uma infusão com água, coá- la, ferver com o lúpulo, acrescentar a levedura e deixar
fermentar. Para depois deixar por um período de tempo maturando. Esse processo, embora simples,
9
deve ser feito em sequência e bem elaborado, pois a alteração em qualquer uma das etapas pode
influenciar no resultado final do produto (MORADO, 2009).
Figura 3. Processo de fabricação de cerveja
Fonte: Morado (2009).
A Figura 4 serve para orientar melhor sobre o processo de fabricação de cerveja e as etapas
que compõem o processo de brassagem.
10
Figura 4. Guia do processo de fabricação
2.2.1 Elaboração
Segundo Beckhauser (1984) a fase de elaboração é onde se define o tipo de cerveja que será
fabricada, os ingredientes que serão utilizados, os tempos e temperaturas de cada etapa de produção
da cerveja. A definição desses parâmetros é o que irá definir o tipo de cerveja a ser produzida.
Segundo Morado (2009), a matéria prima para fabricação de cerveja é segundo a Lei da Pureza
Alemã malte de cevada, água, lúpulo e levedo. Lei que foi estabelecida em 1516, pelos duques
Wilhelm IV e Ludwig X, para regular a produção de cerveja da época. Em 1987 foi revogada por
pressões internacionais, porém até hoje serve de referência de qualidade em todo o mundo.
O malte da cevada é feito a partir do grão de cevada, e será dele a principal fonte de amido.
O amido será convertido em açúcares como a maltose e a glicose durante a produção do mosto, que
posteriormente será consumido pela levedura para a produção de álcool (MORADO, 2006).
Já a água consiste em 90% da cerveja, sendo essa um ingrediente muito importante na
qualidade final do produto. Cervejas como a Bohêmia são mais delicadas e suaves, pela adição de
uma pequena porcentagem de sais à água, enquanto os sabores maltados e o amargor do lúpulo
presentes nas Dortmunder são acentuados pela alta concentração de sais de cálcio, magnésio e
sulfato (MORADO, 2009).
O lúpulo é o terceiro ingrediente da cerveja, é o responsável por trazer o amargor
característico da cerveja. Trata-se de uma planta da família das trepadeiras, seu nome botânico é
11
Humulos lupulus, da família Cannabinaceae. Sendo somente cones das plantas femininas usadas no
processo de fabricação. Sua função na cerveja é dar aroma e sabor (MORADO, 2009).
Já o levedo é um fungo microscópico chamado Saccharomyces, responsável por consumir os
açucares do malte de cevada, e produzir álcool e gás carbônico. As cervejas podem ser classificadas
pelos dois tipos de leveduras utilizadas: Leveduras de alta fermentação e de baixa fermentação.
Onde a leveduras de alta fermentação, produz aromas mais frutados e condimentados e as leveduras
de baixa fermentação, produzem aromas mais neutros como as Pilsen (MORADO, 2009).
2.2.2 Brassagem
A brassagem é uma etapa do processo da fabricação de cerveja, onde são realizadas uma
sequência de procedimentos, que transformam o amido e as proteínas contidas no malte em uma
solução de açucares e outras substâncias em que é dada o nome de mosto, que posteriormente será
transformado em cerveja. Os procedimentos que são realizados durante esse processo são: moagem,
mostura, filtragem do mosto, fervura, separação do trub1 e resfriamento. Durante esse processo é
definido a quantidade de açúcares que servirão para ser consumidos pelas leveduras podendo ser
açúcares fermentáveis e não fermentáveis que irá definir o corpo da cerveja (MORADO, 2009).
Já Hughers (2014) define brassagem como o ato de macerar o malte em água quente para
que haja a quebra de enzimas contidas no grão em açúcares solúveis fermentáveis. Existem três
tipos de brassagem: por infusão onde a temperatura é mantida constante durante o processo, por
múltiplas rampas de temperatura, onde se inicia o processo a uma temperatura mais baixa e vai
elevando-a a cada período de tempo aumentando o rendimento do malte e, por fim, decocção que é
o ato de remover uma porção dos grãos para ser mantida a temperatura diferente da porção
principal, produzindo características extras de malte.
Palmer (2006), também afirma que existem métodos de manipular a produção do mosto a
fim de criar um caráter desejado a cerveja, esses métodos são chamados de métodos de mosturação
e se dividem em: Maceração por Infusão Simples, Maceração Escalonada e Decocção, também
existem duas maneiras para que a mostura seja aquecida, pela adição de água quente ou por
1 Aglutinação das proteínas que estão contidas no mosto
12
aquecimento direto do mosto. Todos esses métodos têm como objetivo realizar a sacarificação, e
existem cervejas que necessitam de um método especifico de maceração para ser produzida.
2.2.3 Moagem
A moagem tem como objetivo de moer o malte da cevada e expor o amido contido no
interior do grão. É importante que o endosperma contido no grão seja completamente desintegrado,
para que a ação enzimática atinja todos os seus elementos. Existem dois tipos básicos de moagem,
com rolos ou em moinhos do tipo martelo, sendo que os moinhos reduzem o malte praticamente a
pó, o que irá influenciar no tipo de filtragem (MORADO, 2006).
2.2.4 Mostura
Na etapa de mostura, há o cozimento da solução composta de água e malte para que haja a
ativação das enzimas presentes no malte, que converterão o amido dos grãos em açúcares
fermentáveis e não fermentáveis. Durante o cozimento, acontece a ativação de vários grupos de
enzimas presentes no malte, cada grupo age de forma diferente no mosto. O favorecimento desses
grupos é realizado a partir das variações de temperatura e pH conforme a Figura 5.
Dentre as enzimas que são favorecidas nesse processo estão a Fitase, Beta Glucanase,
Peptidase, Protease, Beta Amilase e Alfa Amilase, sendo a Fitase responsável por reduzir o pH da
solução, a Beta Glucanase responsável pela quebra da goma, a Peptidase responsável por produzir
amido livre de nitrogênio, a Protease responsável por quebra de proteínas, a Beta Amilase
responsável por produzir a maltose e a Alfa Amilase responsável por produzir a maltose e ainda
uma variedade de outros açúcares. A relação entre esses açúcares é o que irá definir o corpo da
cerveja, sendo que quanto mais fermentáveis os açúcares, menos encorpada será a cerveja
(PALMER, 2006).
Cada receita de fabricação de uma determinada cerveja utiliza determinadas rampas de
temperatura, conforme o resultado pretendido. A faixa de temperatura entre 40 e 45ºC é onde ocorre
a ativação enzimática, as enzimas contidas no malte começam a se solubilizar e entrar na solução,
as betaglucanases e outras celulases são ativadas nessa faixa de temperatura e servirão futuramente
para solubilização do amido. A faixa de temperatura entre 50 e 55ºC é onde ocorre o repouso
proteolítico, que tem como objetivo quebrar as proteínas do malte em proteínas menores e
aminoácidos, nessa fase também pode haver a exposição do amido contido no grão a partir do
13
consumo das proteínas que estão envolto do amido do grão por ação das enzimas proteolíticas,
também é nessa fase que se regula a espuma e o brilho da cerveja. A faixa de temperatura entre 60 e
72ºC é onde ocorre o repouso de sacarificação e nessa fase estão presentes dois tipos de enzimas,
sendo elas a alfa-amilase e a beta-amilase, cada uma dessas enzimas realiza a quebra do amido em
determinados açúcares que serão consumidos pela levedura e caracterização o corpo da cerveja. Já a
faixa de temperatura entre 76 e 78ºC é onde ocorre a inativação enzimática, essa etapa é importante
após o repouso de sacarificação para que haja a inativação das enzimas, parando assim a conversão
do amido em açúcares, e é importante para que acha a estabilização do mostos para que seja
garantido o resultado desejado (MORADO, 2009).
14
Figura 5. Relação de temperatura e pH no favorecimento das enzimas
Fonte: Palmer (2006).
2.2.5 Filtragem do Mosto
Essa etapa tem como objetivo separar o malte utilizado do mosto. Segundo Morado (2009),
existe dois tipo de filtragem do mosto. O primeiro em filtro de placas, que são mais utilizados em
grandes cervejarias, e o segundo em tinas de clarificação, que é mais utilizado em cervejarias de
pequeno porte.
15
A filtragem com placas é feita em câmaras verticais formadas por placas intercaladas com
telas de material plástico termorresistente, com malha bastante fina, para permitir melhor
rendimento. Já a filtragem por tinas de clarificação consiste em utilizar um fundo falso no recipiente
parecido com uma peneira, para que os cereais moídos sejam retidos no fundo e assim separados do
mosto, para que esse tipo de filtragem tenha efeito é necessário que os cereais sejam moídos em
rolos (MORADO, 2009).
2.2.6 Fervura
A fervura consiste em elevar a temperatura do mosto depo is da filtragem, até que comece a
ferver. Esta é uma etapa determinante no processo de fabricação, pois é nela que é definida a cor e o
sabor da cerveja, além de eliminar micro-organismos que poderiam concorrer com a levedura pelos
nutrientes do mosto.
Durante esse processo há a estabilização de aspectos biológicos, bioquímicos e coloidal, e a
contribuição no sabor da cerveja, pois há a evaporação de aromas indesejados e a obtenção de
aromas e amargor pela adição do lúpulo. A adição do lúpulo no início da fervura dá o amargor, e no
final para adicionar o aroma (MORADO, 2009).
2.2.7 Separação do Trub
Segundo Morado (2009), durante a fervura a aglutinação das proteínas que estão contidas no
mosto, e essa aglutinação é chamada trub. Sua separação do mosto garante uma boa estabilidade no
brilho e um sabor mais suave para a cerveja. Após a fervura, o mosto passa pela separação da fase
protéica, e essa separação pode ser realizada de diversas formas.
No entanto, o método mais utilizado é a sedimentação que é realizada por um processo
chamado redimentação, que tem como objetivo utilizar a força centrípeta para acumular no centro
do recipiente o trub, para que depois seja descartado.
2.2.8 Resfriamento
De acordo com Öhlander e Öhlander (2015), o resfriamento consiste em baixar a
temperatura do mosto rapidamente para 22ºC após a fervura do mesmo. Essa etapa é essencial para
evitar a contaminação por bactérias, além de preparar o mosto para a fase de fermentação. Para
Palmer (2006), é importante que se resfrie o mosto rapidamente abaixo de 26º C para que não haja
16
oxidação e contaminação do mesmo, além de não produzir sabores indesejados à cerveja. Existem
algumas formas de esfriar o mosto rapidamente, dentre essas banho de água, gelo e esfriadores de
cobre chamados Chillers.
O banho de água consiste em colocar o recipiente que contem o mosto em outro recipiente
com água fria ou gelada, podendo mover o mosto de forma circular para que ele possa entrar em
contato com a parede do recipiente e assim, esfriando mais rapidamente. O gelo consiste em
adicionar gelo no mosto para que se possa resfriar o mesmo, porém esse método não se pode utilizar
gelo comercial, pois poderá conter bactérias inativas que podem contaminar a cerveja. Por fim, o
Esfriador de cobre que consiste em tubos circulares de cobre para que haja troca de calor, e podem
ser tanto de imersão como contracorrente. O de imersão está imerso no mosto e um fluxo de água
fria passa por dentro da serpentina, já o de contracorrente faz o inverso com o mosto passando por
dentro da serpentina que está imersa em água fria.
2.2.9 Fermentação
As cervejas também podem ser classificas quanto à fermentação, sendo as de alta
fermentação (tipo Ale) e as de baixa fermentação (tipo Lager). A fermentação é basicamente a
transformação dos açúcares em dióxido de carbono (CO2) e etanol pela levedura. Também há a
formação de subprodutos do metabolismo da leveduras, onde eles podem emanar aromas agradáveis
ou não, e para isso é necessário que haja a administração da fermentação para que se possa
favorecer os aromas desejados e eliminar os indesejáveis, sendo que os fatores mais importantes
para essa administração são: temperatura, duração, contrapressão, levedura e a quantidade dela
empregada (MORADO, 2009).
Segundo Öhlander (2015) a levedura presente no mosto se multiplica alimentando-se dos
açucares presentes e convertendo-os em etanol e dióxido de carbono. É importante que a
temperatura nessa etapa seja constante, sendo que as temperaturas mais baixas dão a cerveja um
sabor mais limpo, e temperaturas mais elevadas dão um sabor mais frutado. E a aplicação de pouca
levedura pode deixar o processo de fermentação incompleto.
2.2.10 Maturação
Essa etapa é onde ocorrem reações físico-químicas que transformam o aspecto visual e há a
produção de alguns sabores e aromas. O início da maturação ocorre quando é retirada a levedura,
17
além de poder ser acrescentado especiarias, frutas ou lascas de madeira para dar aroma e sabor a
bebida (MORADO, 2009).
r-se a maturação, a maior parte dos açucares já foi
metabolizada e transformada em álcool etílico, dióxido de carbono, glicerol, ácido acético, alcoóis
2.2.11 Envase
O envase é um momento crítico no processo de fabricação de cerveja, pois é nele que se
retira o produto de um ambiente controlado, para ser exposto ao ambiente externo. Existem 3 tipos
de envase, sendo esses: embarrilamento, engarrafamento e enlatamento. No embarr ilamento a
cerveja é posta em barris sob baixa temperatura e sob pressão, utilizando CO2 ou N2, e após o
enchimento, os barris são armazenados em câmeras frias a temperaturas entre 0 e 4ºC.
No engarrafamento e enlatamento o produto é colocado na garrafa o u lata, porém por
problema de deterioração rápida do produto, é realizada a pasteurização da cerveja para que sejam
eliminados micro-organismos que possam ser prejudiciais à cerveja (MORADO, 2009).
2.3 Automação
Conforme Rosário (2009), a automação trata-se de todo o processo que realiza uma tarefa ou
atividade de forma autônoma. Estabeleceu-se nas indústrias com a chegada das máquinas a vapor,
aumentando a produtividade e qualidade dos produtos e serviços. A automação também pode ser
definida como a substituição dos esforços e das decisões humanas por dispositivos e softwares,
concebidos por meios de especificações funcionais e tecnológicas.
Na indústria, a automação pode ser considerada como qualquer dispositivo mecânico ou
eletroeletrônico para controlar máquinas e processos, a Figura 6 ilustra um sistema automatizado
com integração entre entrada e saída que tem como objetivo de produzir um produto final que seja
composto da matéria prima mais um valor agregado (ROSÁRIO, 2009).
18
Figura 6. Conceito de sistema automatizado
Fonte: Rosário (2009).
2.3.1 Controle
O sistema de controle possui as configurações, especificações e a identificação dos
parâmetros chaves de um sistema proposto para atender uma necessidade real. A partir do momento
que se estabelece a finalidade do sistema, inicia-se a identificação das variáveis que pretende-se
controlar e em seguida especifica-se as a exatidão a qual se deseja alcançar. Um exemplo de sistema
de controle é o controle da velocidade de um motor, utilizando sensores para a medição das
variáveis controladas (ROSÁRIO, 2009).
Conforme Pereira, Costa e Carmo (2013), um controlador que pode ser utilizado no controle
de temperatura da água em um processo industrial é o Proporcional Integral Derivativo (PID), que
consiste em uma estratégia de controle de grande utilização na indústria, sendo suficiente para
garantir o bom funcionamento em uma grande gama de aplicações. São utilizados métodos para que
haja o controle antecipado, sendo realizada a comparação das variáveis monitoradas com o valor
desejado, para então controlar e ajustar o erro a fim de alcançar a faixa de valor pretendido.
2.3.1.1 PID
Segundo Åström e Hägglund (1995), o controle PID é um algoritmo matemático que tem
como função manipular uma determinada variável, tendo como funções importantes promover
feedbacks, eliminar estado estacionário a partir de ação integral e prever o futuro a partir de ações
derivativas. A Figura 7 ilustra o controle PID de um determinado processo.
19
Figura 7. Controle PID de um processo.
Fonte: Ogata (2000).
Para Ogata (2000), o controle de variável é composto da somatória de três termos, sendo
eles: Kp (Ganho proporcional), Ti (Tempo integral) e Td (Tempo derivativo). O Ganho proporcional
é a relação entre o sinal de saída do controlador e o sinal de erro atenuante, sendo essencialmente
um amplificador com ganho ajustável a fim de tornar o sistema estável. O Tempo integral tem como
função amenizar qualquer desvio que ocorra, fazendo com que a variável permaneça próximo ao
valor desejado para o sistema mesmo que haja um distúrbio no sistema o Termo derivativo tem
como objetivo fazer com que o sistema reaja de forma mais rápida a mudança da variável de erro,
portanto aumentando a velocidade de resposta do sistema caso a presença do erro seja detectada
(OGATA, 2000).
2.3.2 Sensores e Atuadores
Sensores e atuadores são considerados como os principais elementos que atuam na
automação, verificando e interferindo no meio ambiente. Os sensores são dispositivos que são
sensíveis a algum tipo de energia do ambiente, podendo ser luminosa, térmica ou cinética e tem
como função realizar a medição de grandezas como temperatura, pressão, velocidade, corrente,
aceleração e outras. Já os atuadores são dispositivos que tem como função modificar uma variável
que esteja sendo monitorada, operam recebendo um sinal do controlador para agir no ambiente que
está sendo controlado. Alguns exemplos de atuadores são: válvulas, relés, cilindros, motores e
solenóides (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2008).
Conforme Thomazini e Albuquerque (2008), os sensores ainda podem ser divididos em dois
grupos: sensores analógicos, onde o sinal de saída pode assumir um determinado valor em uma
faixa de operação, isso ocorre em algumas grandezas físicas como a temperatura, pressão, umidade
e luminosidade, e são meditas por elementos sensíveis em circuitos eletrônicos que não são digitais,
a Figura 8 ilustra a variação de temperatura em um sensor analógico.
20
Figura 8. Exemplo da saída de sinal de um sensor de temperatura analógico
Fonte: Thomazini e Albuquerque (2008).
Já os sensores digitais podem assumir apensas dois valores, podendo ser zero ou um. Na
natureza não existe grandezas físicas que assumam esses valores naturalmente, portanto devem ser
convertidos pelo circuito eletrônico para ser mostrado ao sistema. Esses sensores podem ser
utilizados para detectar a passagem de um objeto, determinar a distância ou velocidade, a Figura 9
ilustra a variação de um objeto lida por um codificador incremental (THOMAZINI e
ALBUQUERQUE, 2008).
Figura 9. Exemplo da saída de sinal de um sensor de temperatura digital
Fonte: Thomazini e Albuquerque (2008).
21
2.3.2.1 Sensores de Temperatura
Conforme Thomazini e Albuquerque (2008), os sensores de temperatura podem ser
divididos em Termistores, Termopares, Termorresistências, Par Bimetálico, Eletrônicos e
Pirômetros.
Termistores
Os termistores são para Thomazini e Albuquerque (2008), resistores termicamente sensíveis,
que conseguem medir pequenas variações de temperatura por serem semicondutores que variam sua
resistência conforme a temperatura. Eles são produzidos a partir de elementos resistivos chamados
óxidos de metais como manganês, níquel, cobalto, cobre, ferro e titânio e podem se dividir em PTC
(Coeficiente Positivo de Temperatura) e NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura).
A relação entre resistência e temperatura é dada pela equação de Steinhart & Hart conforme
a Equação 1, onde a, b e c são coeficientes que depende do material usado, R é o valor da
resistência e T o valor da temperatura. A Figura 10a ilustra a representação da simbologia do
termistor PTC, e a Figura 10b ilustra a representação da simbologia do termistor NTC.
T = 1 / (a + b x ln + c x ln R 3) Equação 1
(a)
(b)
Figura 10. Representação da simbologia dos termistores
Fonte: Thomazini e Albuquerque (2008).
Os termistores do tipo PTC têm como característica o aumento da sua resistência conforme a
temperatura, eles trabalham em uma determinada faixa de temperatura e fora dela o seu coeficiente
se torna nulo ou negativo, a curva típica da relação entre resistência e temperatura é representada
pela Figura 11a. Já os termistores do tipo NTC, são elementos cuja sua resistência decresce
conforme há o aumento da temperatura, conforme é representado pela sua curva típica na Figura
11b, portanto seu coeficiente de temperatura é negativo (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2008).
22
(a)
(b)
Figura 11. Curva típica de um termistor
Fonte: Thomazini e Albuquerque (2008).
2.3.2.2 Sensores de pH
Thomazini e Albuquerque (2008), descrevem que a medição do pH é realizada a partir de
dois eletrodos sendo um de vidro e outro de referência, onde uma combinação de matérias do
eletrodo de vidro torna o material sensível ao pH, e podem ser calculado pela Equação 2 onde o
valor de R é uma constante que depende do material utilizado e V o valor do pH.
V = R + 0,059 pH Equação 2
No vidro, por ser um matéria de alta impedância na ordem de 1010 14
pH necessita de um circuito amplificador com elevada impedância de entrada. A escala de medição
do pH vai de 0 a 14, e define o quanto uma solução é acida ou alcalina sendo que valores abaixo de
7 na escala mostra que a solução está acida e valores acima de 7 mostra que a solução está alcalina
ou básica, conforme é ilustrado na Figura 12 a acidez ou alcalinidade de uma solução é calculada a
partir da concentração de íons de H+ que pode ser definido pela Equação 3 (THOMAZINI e
ALBUQUERQUE, 2008).
23
Figura 12. Escala de pH
Fonte: Thomazini e Albuquerque (2008).
pH = -log[H+] Equação 3
2.3.2.3 Relé
O relé é um dispositivo eletromecânico que possui um sistema magnético que converte a
corrente elétrica em energia mecânica necessária para fechar contato de um sistema. Esse
dispositivo possui dois sistemas elétricos isolados conforme a Figura 13, o primeiro sistema recebe
como entrada uma corrente elétrica que ao passar por uma bobina, gera um campo eletromagnético.
O campo eletromagnético ao ser gerado, irá acionar uma armadura representada pelo item 2 da
Figura 13, e essa de forma mecânica irá fechar o segundo circuito (GUREVICH, 2006).
Figura 13. Estrutura relé
Fonte: Gurevich (2006).
24
2.4 Plataformas de Computação Embarcada
Conforme a necessidade de elaborar projetos mais complexos, havendo a necessidade de
maior poder computacional, surgiram plataformas que suportam sistemas operacionais,
possibilitando o gerenciamento de múltiplos processos de forma simultânea.
Segundo Schunk e Luppi (2001), microcontroladores são componentes conhecido como
processamento, memória de programa, memórias auxiliares, sistema de entrada e saída e outros
vários periféricos conforme o modelo, estando presentes desde microondas, televisores, aparelhos
de som e celulares. A sua utilização é necessária quando um circuito precisa realizar operações ou
procedimentos que variam conforme a influência do ambiente, comandos e procedimentos e
análises e correções. Atualmente existem duas categorias distintas de microcontroladores no
mercado: a RISC na qual possui barrementos separados para a memória do programa e os demais
periféricos e a CISC que contém apenas um barramento para todo o transporte de dados. A seguir
serão apresentadas algumas plataformas de computação embarcada.
2.4.1 Raspberry Pi
O Raspberry Pi é um computador do tamanho de um cartão de crédito no qual é possível
conectar um monitor de computador ou TV, e usa um mouse ou teclado padrão. Ele foi
desenvolvido com o objetivo de que qualquer pessoa em qualquer idade possa explorar a
computação e aprendam a programar linguagens como Scratch e Python, utilizando o sistema
operacional Linux. Atualmente existem 3 modelos que são: modelo B, modelo B+ e o modelo A+,
possuindo um processador ARM1176 e memória de 256 MB à 1 GB de RAM, uma, duas ou quatro
portas USB e uma porta Ethernet. A Figura 14 ilustra um placa de prototipação da Raspberry Pi
(RASPBERRY, 2015).
25
Figura 14. Placa Raspberry Pi
Fonte: Raspberry (2015).
Segundo Oliveira (2006), o microcontrolador ARM é do tipo RISC de 32 bits e foi
desenvolvido para ter o maior desempenho com os seguintes requisitos: ser simples, ocupar pouca
área e ter baixo consumo de energia. O ARM possui um conjunto de instruções mais complexas que
um processador RISC, e o seu baixo consumo de energia é alcançado a partir de 3 fatores:
simplicidade no circuito, pipeline curto e um projeto que favorece o baixo consumo de energia
quando o processador não estiver em uso. Já a baixa área ocupada, faz com que ele seja utilizado
em smartphones, videogames portáteis, etc.
Segundo ARM (2015), os processadores ARM são baseados na arquitetura de mesmo nome,
semelhante à arquitetura RISC, possuindo conjuntos de instruções de 32 bits, registrador de Load e
Store e endereçamento simples, tendo como vantagens o desempenho e baixo consumo de energia.
2.4.2 Arduino
Arduino é uma plataforma de prototipagem de código aberto capaz de ler entradas como luz
de um sensor, dedo em um botão, dentre outras interações, e gerar um saída que pode ser: o
acionamento de um motor, ligar um LED (Light Emitting Diode) ou realizar uma publicação na
26
internet. Sua linguagem é baseada em C/C++ e possui um microcontrolador AVR. A Figura 15
ilustra uma placa Arduino. Esse ainda traz algumas vantagens para professores, alunos e amadores,
sendo essas (ARDUINO, 2015):
Baixo custo: Mais baratas em relação as demais do mercado;
Multiplataforma: Sua IDE pode ser executada em Windows, Mac OS e Linux;
Ambiente de programação simples: Possui uma IDE (Integrated Development
Envioronment) fácil de usar;
Open Source e Software extensível: O software Arduino é publicado como ferramentas
de código aberto, disponível para extensão por programadores experientes ; e
Open Source e Hardware extensível: Os esquemáticos das placas Arduino são
publicados sob uma licença Creative Commons, para que os projetistas de circuito
experientes possam fazer a sua própria versão do módulo, estendê- lo e melhorá-lo.
27
Figura 15. Placa Arduino
Fonte: Arduino (2015).
Conforme Schunk e Luppi (2001), AVR é uma linha de microcontroladores da Atmel com
arquitetura RISC, construída com tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
de baixo consumo de energia executando a maioria da instruções em um único ciclo. Possui
aproximadamente o desempenho de 1 MIPS em 1 MHz.
2.4.3 BeagleBone Black
O BeagleBone Black é um computador Linux do tamanho de um cartão de crédito, que pode
rodar Android 4.0 e Ubuntu e com a capacidade de se conectar a internet. Possui um processador
AM335X 720 MHZ ARM Cortex-A8, com 256MB DDR2 RAM e acelerador gráfico 3D. A Figura
16 ilustra uma placa BeagleBone Black (BEAGLEBONE, 2015).
28
Figura 16. Placa BeagleBone Black
Fonte: BeagleBone (2015).
A plataforma BeagleBone Black possui o mesmo microcontrolador da Rasperry Pi.
2.5 Plataformas Móveis
As plataformas móveis mais utilizadas atualmente são Android, IOS e Windows Phone. A
seguir será descrito sobre cada plataforma.
Android
O Android é um sistema operacional personalizável, desenvolvido pelo Google, que pode
ser instalado em smartphones, tablets, TVs, relógios e carros. Atualmente ele encontra-se em mais
de um bilhão de dispositivos ao redor do mundo. Esse SO (Sistema Operacional) é baseado na
plataforma Linux, e possui ferramentas para auxiliar no aproveitamento dos recursos de hardware
de cada dispositivo. Também é capaz de adaptar a sua interface a cada dispositivo com o objetivo
29
de melhorar a experiência do usuário. O Android também disponibiliza uma IDE de
desenvolvimento em Java chamada de Android Studio que é baseada na plataforma Intellij. A
Figura 17 ilustra a tela principal do Android (ANDROID, 2015).
Figura 17. Tela principal do Android
Fonte: Android (2015).
iOS
O iOS, segundo a desenvolvedora Apple (2015), é um sistema operacional móvel com uma
interface fácil de usar, desenvolvida para os dispositivos móveis iPhone, iPad e iPod Touch, é
baseado na plataforma Mac OS X/Unix- like, possui uma IDE de desenvolvimento chamada Xcode
e sua linguagem de programação é a Swift, baseada em C. Como ambos o SO e hardware são
desenvolvidos pela Apple, o sistema operacional e os aplicativos tendem a aproveitar o máximo dos
recursos de hardware dos dispositivos. A Figura 18 ilustra a tela principal do IOS.
30
Figura 18. Tela principal IOS
Fonte: Apple (2015).
Windows Phone
O Windows Phone, conforme a Microsoft (2015), é um sistema operacional baseado no
Windows NT para smartphones. Possui uma IDE para desenvolvimento dos aplicativos chamada
Visual Studio, que tem como linguagem de programação o C#. A interface é chamada Metro, possui
suporte a multitoque, multitarefa e sincronização com o Windows e o Xbox. A Figura 19 ilustra a
tela principal do Windows Phone.
31
Figura 19. Tela principal do Windows Phone
Fonte: Microsoft (2015).
3 TRABALHOS RELACIONADOS
Este tópico apresenta trabalhos relacionados a controle e automação similares a este projeto.
Ao final, é apresentado um comparativo identificando as principais diferenças entre as tecnologias e
técnicas empregadas.
32
3.1 BrewPi
BrewPi é uma empresa holandesa especializada no comércio de produtos para fabricação de
cerveja, e possui diversos equipamentos para cada etapa do processo. Alguns dos equipamentos são
para a automação do processo, mais especificamente no controle e monitoramento da temperatura
durante a etapa de fermentação, denominado de BrewPi. A Figura 20 mostra o BrewPi com seus
sensores e atuadores.
Figura 20. BrewPi
Fonte: BrewPi (2015).
O BrewPi é um controlador de temperatura para a fermentação da cerveja, que é
desenvolvido utilizando a plataforma Raspberry Pi e Arduino, possuindo sensores de temperaturas e
atuadores para o controle da temperatura. As informações monitoradas são disponibilizadas em um
servidor Web local, onde é disponibilizado ao usuário um gráfico para o acompanhamento da
variação de temperatura durante o processo (BREWPI, 2015).
3.2 Automação e Controle de Uma Microcervejaria Artesanal
O trabalho de Franzen e Fernandes (2011) trata da automação de uma micro cervejaria para
produção de cervejas artesanais. O projeto consiste em controlar e monitorar a temperatura e o
tempo de todas as etapas do processo de fabricação. O sistema desenvolvido apresenta qual etapa o
33
processo encontra-se e informações como temperatura e tempo da etapa, utilizando um CLP
(Controlador Lógico Programável) responsável por monitorar os sensores de temperatura e chama e
acionar os atuadores que irão abrir ou fechar a válvula de gás e acionar o ignitor a fim de realizar o
controle da temperatura. A Figura 21 ilustra o diagrama do projeto.
Figura 21. Arquitetura do sistema de controle de temperatura
Fonte: Frazen e Fernandes (2011).
3.3 Instrumentação e controle do processo de produção de uma microcervejaria
O trabalho de Tostes, Folly e Valdman (2015) trata da automação do processo de fabricação
de uma microcervejaria automatizando as etapas de preparação, brassagem, lavagem, filtragem,
fermentação e resfriamento, utilizando uma planta piloto do Laboratório do Departamento de
Engenharia Química da UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro). A automação é realizada
utilizando a plataforma Arduino para controlar e monitorar os sensores e atuadores, se comunicando
com um computador a partir do protocolo de comunicação MODBUS. A Figura 22 ilustra a
arquitetura de instrumentação adotada.
34
Figura 22. Arquitetura de instrumentação utilizada
Fonte: Tostes, Folly e Valdman (2015).
3.4 Comparativo
A primeira solução apresentada é comercial e disponibilizada por uma empresa do ramo de
automação, enquanto as demais são trabalhos acadêmicos. O Quadro 1 faz um comparativo dessas
tecnologias.
Quadro 1.Comparativo de Trabalhos Relacionados.
2.6.1 2.6.2 2.6.3 Este Trabalho
Custo de implantação Baixo Alto Alto Baixo
Plataforma de automação Raspberry Pi
/ Arduino
CLP Arduino Arduino
Protocolo de Comunicação - MODBUS MODBUS Bluetooth
Interface Web CLP Proficy iFix Android
Medição de pH Não Não Não Sim
Ao analisar os projetos, foi possível identificar que o emprego do Arduino em projetos de
automação do processo de produção tem aumentado devido ao baixo custo e facilidade de
utilização. De forma geral, pode-se notar que grande parte dos projetos visa estender o controle de
suas automações de forma a utilizar computadores ou CLPs, o projeto proposto visa disponibilizar
ao usuário o controle do equipamento em um dispositivo móvel, eliminando a necessidade de
equipamentos de custo elevado. Também foi identificado que os projetos não contemplam o
monitoramento do pH e interface para dispositivos móveis, diferenciais no trabalho proposto.
35
4 DESENVOLVIMENTO
Este capítulo apresenta os recursos utilizados no desenvolvimento do projeto, e inclui a
análise geral do projeto, o escopo, os requisitos do sistema, a modelagem, as tecnologias utilizadas
na prototipação do software, os dispositivos empregados na prototipação do hardware e a avaliação
e resultados.
Na primeira seção é exposta uma visão geral do sistema, que explica o que é o sistema com
informações das tecnologias que foram utilizadas e os dispositivos empregados. Em seguida são
identificados os requisitos, que se dividem em funcionais e não funcionais. A partir do
levantamento e especificação dos requisitos, é apresentada a modelagem do sistema na quarta
seção, como os casos de uso usados, diagrama de sequência e as mensagens que são trocadas entre
o microcontrolador e o software, para proporcionar uma visão das funcionalidades do sistema e
como elas interagem.
Por fim, são apresentadas as tecnologias utilizadas no desenvolvimento do software, os
componentes utilizados no desenvolvimento da solução com suas especificações e o protótipo do
recipiente desenvolvido.
4.1 Análise Geral do Projeto
O projeto desenvolvido consiste no controle e monitoramento da temperatura, tempo e pH
em um recipiente do mosto cervejeiro, a partir de sensores e atuadores conectados a plataforma
microcontrolada Arduino. O monitoramento da temperatura e pH é realizado a partir de sensores
conectados a panela e o tempo monitorado a partir de um módulo externo. Com os dados coletados,
o microcontrolador os processa, acionando uma resistência elétrica conectada ao recipiente caso
necessário.
A Figura 23 ilustra o processo que é realizado pelo Arduino. Ao iniciar-se a receita é
iniciada a contagem de tempo e, até que o tempo de cozimento seja atingido, é realizado o
monitoramento dos sensores de pH e temperatura. Caso verifique-se que a temperatura esteja abaixo
da faixa estabelecida, o atuador é acionado a fim de aquecer a solução até que a faixa de
temperatura desejada seja atingida. Para alcançar a faixa de temperatura desejada o
microcontrolador realiza a leitura do sensor de temperatura e o processa utilizando um algoritmo
36
PID (Proporcional Integral Derivativo) para determinar o tempo em que o atuador permanecerá
ligado. Durante o processo são enviados ao sistema os valores captados pelos sensores.
Figura 23. Fluxo do processo no Arduino
Para que o usuário interaja com o recipiente, foi desenvolvida uma aplicação para o sistema
operacional Android, a fim de servir como guia durante o processo de fabricação. A aplicação
realiza a comunicação com a plataforma microcontroladora do recipiente onde a comunicação é
realizada utilizando o protocolo Bluetooth. Nesse sistema também é possível realizar o cadastro de
receitas e enviar ao recipiente, para que seja realizado o controle da temperatura durante o processo
da brassagem. Outra funcionalidade do sistema é coletar as informações enviadas pela plataforma
apresentando ao usuário para que possa ser realizado o monitoramento do processo de fabricação e
dos valores que estão sendo capturados pelos sensores durante o processo de brassagem.
A Figura 24 ilustra os periféricos utilizados no projeto, bem como demonstra o processo de
comunicação dos módulos. Foi conectado ao Arduino um sensor de temperatura, um módulo RTC
(Real Time Clock) e um módulo de amplificação de sinal para amplificar o sinal recebido pelo
sensor de pH. Também foi conectado um shield relé com o objetivo de ligar e desligar a resistência
elétrica instalada no recipiente e um módulo Bluetooth para realizar a comunicação com a
aplicação.
37
Figura 24. Componentes adotados na solução proposta
4.2 Escopo
Neste trabalho não está previsto nenhuma implementação de segurança, seja ela relacionada
à autenticação de usuários ou criptografia. A proposta deste trabalho visa integrar os dispositivos
em questão de modo que executem os processos o mais próximo possível de sua forma de execução
manual, e disponibilizar essas funções para fácil acionamento.
4.3 Requisitos do Sistema
A seguir é apresentado o levantamento dos requisitos funcionais e não funcionais do
sistema.
4.3.1 Requisitos Funcionais
Os requisitos funcionais identificam as características e as funcionalidades gerais de um
sistema. Os requisitos funcionais definidos para o sistema proposto são:
RF01: O sistema deve permitir monitorar a temperatura do mosto.
RF02: O sistema deve permitir controlar a temperatura do mosto.
38
RF03: O sistema deve permitir monitorar o valor do pH do mosto.
RF04: O sistema deve permitir visualizar o tempo de cada etapa da brassagem.
RF05: O sistema deve permitir cadastrar uma receita.
RF06: O sistema deve permitir escolher uma receita para ser iniciada.
RF07: O sistema deve informar o usuário de cada etapa de produção.
4.3.2 Requisitos Não Funcionais
Nos requisitos não-funcionais são estabelecidas as qualidades ou restrições do sistema. Para
o sistema proposto foram definidos os seguintes requisitos:
RNF01: O sistema deve utilizar a plataforma Arduino.
RNF02: O aplicativo deve ser implementado para o sistema operacional Android.
RNF03: A comunicação do Arduino com o aplicativo deve ser realizada via Bluetooth.
4.4 Modelagem
Nesta seção são apresentados os diagramas e informações refe rentes à modelagem do
sistema, sendo utilizados os casos de usos, diagramas de classe e sequência, protótipo do recipiente
e as interfaces do sistema.
4.4.1 Casos de Uso
Os casos de uso definem como acontece a interação entre o usuário e o sistema. Para este
trabalho foram definidos sete casos de uso os quais estão ilustrados na Figura 25 e listados à seguir:
1. Listar Receitas;
2. Cadastrar Receita;
3. Iniciar Receita;
4. Ler Temperatura;
39
5. Ler pH;
6. Aquecer;
7. Monitorar Temperatura; e
8. Monitorar pH.
Figura 25. Caso de uso
4.4.2 Diagrama de Classes
O diagrama de classe serve para representar a estrutura e relação das classes para servirem
de modelo para os objetos e para o diagrama de sequência. A Figura 26 ilustra o diagrama de classe
do aplicativo desenvolvido.
40
Figura 26. Diagrama de classe
41
As classes TelaBase e CadastroBase são abstratas e servem como base para a classe
MonitorReceita, que monitora o processo de fabricação. Já para o cadastro da receita é
implementada a classe CadastroReceita, que é herdada da CadastroBase. A classe
Receita tem como função manter a receita, sendo nessa são armazenados os dados da receita. A
classe ControleReceita é responsável pelo controle da receita e oferece ao usuário
informações de cada etapa, comunicando-se com a classe ConnectThread. Essa é responsável
por enviar e receber informações ao Arduino.
4.4.3 Diagrama de Sequência
A Figura 27 representa o diagrama de sequência que serve para representar o funcionamento
do aplicativo desenvolvido.
Figura 27. Diagrama de sequência
Na primeira iteração, o usuário solicita o inicio do processo. Essa solicitação é dada por um
envio de mensagem, a qual é recebida pelo controlador do Arduino que a processa dando início à
receita. Na segunda iteração, o usuário solicita os valores dos sensores que estão sendo
monitorados, processa a mensagem da solicitação e retorna uma mensagem com os valores dos
sensores.
42
4.4.4 Mensagens
Nessa seção são apresentadas as mensagens trocadas entre a aplicação e a plataforma móvel.
Para melhor representar as mensagens são apresentados quadros com as seguintes informações:
Objetivo, Emissor, Receptor, Mensagem e Resposta. As mensagens são trocadas utilizando o
protocolo Bluetooth.
Quadro 2. Mensagem: Rampa de temperatura.
Mensagem Funcionalidade
Objetivo Enviar ao micro controlador uma rampa de
temperatura com o seu identificador, tempo e temperatura.
Emissor Sistema.
Receptor Micro controlador.
Mensagem <TAG>
<MASH>
<ID>INT</ID>
<TEMPERATURA>FLOAT</TEMPERATURA>
<TEMPO>INT</INT>
</MASH>
</TAG>
Resposta <RECEBIDO/>
Quadro 3. Mensagem: Aguardar início da brassagem.
Mensagem Funcionalidade
Objetivo Mensagem enviada pelo micro controlador quando
atinge a temperatura da primeira rampa de temperatura e aguarda a resposta para inicio da brassagem.
Emissor Micro controlador.
Receptor Sistema.
Mensagem <CONFIRMAR/>
Resposta -
Quadro 4. Mensagem: Iniciar brasagem.
Mensagem Funcionalidade
Objetivo Mensagem enviada pelo sistema ao micro controlador para que seja iniciada a brassagem.
Emissor Sistema.
Receptor Micro controlador.
Mensagem <TAG><INICIAR/></TAG>
Resposta <RECEBIDO/>
Quadro 5. Mensagem: Monitoramento.
Mensagem Funcionalidade
Objetivo Mensagem enviado pelo micro controlador ao sistema, informando o valor das variáveis monitoradas.
43
Emissor Micro controlador.
Receptor Sistema.
Mensagem <TAG>
<MASH>
<ID>INT</ID>
<TEMPERATURA>FLOAT</TEMPERATURA>
<TEMPO>INT</TEMPO>
<PH>FLOAT</PH>
</MASH>
</TAG>
Resposta -
4.5 Tecnologias Utilizadas na Prototipação do Software
Nessa seção, são abordadas as tecnologias utilizadas para realização desse projeto, sendo
essas Sistema Operacional Android e banco de dados SQLite.
4.5.1 Sistema Operacional Android
Para o desenvolvimento da interface com o usuário foi desenvolvido uma aplicação para o
sistema operacional Android. Em seu desenvolvimento foi utilizado a plataforma de
desenvolvimento do Android Studio que é disponibilizada pelo Google, juntamente com o seu kit
de desenvolvimento (SDK Software Development Kit).
4.5.2 SQLite
Para armazenar as informações que são cadastradas pelo usuário foi utilizado como banco de
dados o SQLite, que é uma biblioteca desenvolvida em C e tem como objetivo implementar um
banco de dados SQL. Tal banco de dados possui estruturas de tabelas, índices e gatilhos e não
necessita de um servidor para instalação, já que o mesmo pode ser embarcado na aplicação. O
SQLite também não possui um motor de banco de dados e lê e escreve diretamente em disco
(SQLITE, 2016).
4.6 Prototipação do Hardware
Nesta seção encontra-se uma breve descrição de cada dispositivo utilizado nesta solução
para controlar e monitorar o processo de brassagem.
44
4.6.1 Smartphone Android
Foi desenvolvida uma aplicação Android que possui algumas funcionalidades, tais como
cadastro de matérias primas, cadastro de receita e monitoramento do processo. As funcionalidades
respondem pelas seguintes ações: (i) cadastro de matérias primas é responsável por manter os
cadastros de malte, lúpulo e leveduras; (ii) cadastro de receita é responsável pelo cadastro das
matérias primas utilizadas nas receitas, as rampas de temperatura, a quantidade de dias e
temperatura de fermentação e maturação; (iii) monitoramento do processo é responsável por
informar ao usuário os status de cada etapa do processo de fabricação. Toda a comunicação entre o
Arduino e o smartphone é realizada utilizando o protocolo Bluetooth. A Figura 28 apresenta o
smartphone utilizado no projeto.
Figura 28. Smartphone Samsung Galaxy 3
4.6.2 Arduino
Para realizar a integração entre os componentes do projeto listados anteriormente, foi
utilizada a plataforma Arduino Uno, que é baseada no micro controlador ATmega328P e dispõe m
45
de interface para auxiliar o desenvolvimento, tais como: 14 pino digitais que podem ser utilizados
tanto para entrada como para saída, sendo que 6 desses podem ser utilizados como saída PWM,
além de 6 pinos de entrada analógica, uma conexão USB e um cristal oscilador de 16MHz. A
Figura 29 apresenta o Arduino Uno utilizado no projeto.
Figura 29. Arduino Uno
4.6.3 Sensor de temperatura DS18B20
Com objetivo de realizar a medição da temperatura da solução no recipiente, foi utilizado o
sensor DS18B20 que tem como característica comunicar-se com o microcontrolador utilizando um
protocolo chamado 1-Wire. A comunicação é feita por um único meio de transmissão, geralmente
metálico, que funciona de forma half-duplex. Neste projeto foi optado por utilizar uma biblioteca
desenvolvida por terceiros, a qual intermedia a comunicação entre o sensor e o Arduino. A Figura
30 apresenta o sensor utilizado no projeto.
46
Figura 30. Sensor de Temperatura DS18B20
4.6.4 Sensor de pH
O sensor de pH é responsável por realizar a leitura da medida durante o processo de
brassagem. Foi utilizada um sonsa de monitoramento com conexão BNC (Bayonet Neill
Concelman), com faixa de medição de 0 a 14 de pH que opera a uma temperatura de até 80ºC.
Como a sonda trabalha com uma tensão de aproximadamente 1.99 mV, foi necessário utilizar um
módulo para amplificação do sinal com um conector BNC. A Figura 31 apresenta o módulo e a
sonda utilizados.
Figura 31. Sonda e módulo de pH para Arduino
47
4.6.5 Módulo RTC DS1307
O módulo RTC DS1307 é responsável pelo monitoramento do tempo, possui 56 bytes
SRAM e é capaz de informar o ano, mês, dia, hora, minuto e segundo. Utiliza o barramento serial
I²C desenvolvido pela Philips, para se conectar com periféricos de baixa velocidade. A Figura 32
mostra o módulo RTC utilizado no projeto.
Figura 32. Módulo RTC DS1307
4.6.6 Módulo Bluetooth HC-05
Para realizar a comunicação entre o sistema desenvolvido e o Arduino, foi utilizado um
módulo Bluetooth HC-05, ilustrado na Figura 33. Esse módulo pode se conectar tanto em modo
mestre como escravo, possuindo 3Mbps de taxa de transmissão e uma frequência de rádio de
2.4GHz.
Figura 33. Módulo Bluetooth
48
4.6.7 Resistência Elétrica
Como atuador, foi utilizada uma resistência elétrica (Figura 34), com a potência de 1.500W
e a tensão de 220V, que tem como função transformar a energia elétrica em energia térmica a fim
de aquecer o líquido dentro do recipiente.
Figura 34. Resistência Elétrica
4.6.8 Relé
Para acionar a resistência térmica foi utilizado um shield relé, apresentado na Figura 35, que
opera com uma tensão de 120 V e uma corrente de 2A.
Figura 35. Relé
49
4.6.9 Protótipo do Recipiente
As Figuras 36a e 36b apresentam o protótipo do recipiente desenvolvido para realizar o
processo de brassagem. Para o protótipo foi utilizada uma panela de 15 litros, onde foi conectada
uma torneira para extração do mosto, conforme apresentado na Figura 36a, e uma resistência
térmica para aquecer a solução (Figura 36b).
(a)
(b)
Figura 36. Recipiente
Já a Figura 37 apresenta o protótipo do recipiente conectado aos periféricos. Foram
conectados ao Arduino o módulo RTC, o sensor de temperatura, o shield relé e o módulo de
amplificação de sinal do sensor de pH. No shield relé foi conectada a resistência elétrica do
recipiente e no módulo de pH foi conectado o sensor de pH.
50
Figura 37. Integração dos componentes com o recipiente
4.6.10 Interface do Sistema
O sistema foi desenvolvido para que seja possível realizar o cadastro desde a matéria prima,
como malte, lúpulo e fermento, até poder cadastrar as receitas e monitorar as etapas de produção. A
Figura 38 apresenta o menu do sistema para cadastro de matéria prima e receita.
51
Figura 38. Monitoramento de receita
As Figuras 39a e 39b apresentam o protótipo da tela de cadastro, que tem como função
manter o cadastro da receita. Por essa tela é possível cadastrar os ingredientes, as rampas de
temperatura, o tempo de fermentação e maturação e também dar início a receita.
52
(a)
(b)
Figura 39. Cadastro de receita
A Figura 40 mostra a tela onde é possível realizar a seleção da receita que se queira fabricar.
53
Figura 40. Listagem de receitas
Na Figura 41 é apresentada a tela de controle e monitoramento do processo de fabricação de
cerveja. A tela possui informações da receita que está sendo monitorada, como as etapas, sua
situação e os valores dos sensores.
54
Figura 41. Monitoramento de receita
4.7 AVALIAÇÃO E RESULTADOS
Esta seção apresenta a descrição de como foram realizados os casos de teste, considerando
os requisitos funcionais e não funcionais, visando a validação e verificação do sistema
desenvolvido. Os testes foram divididos em casos de teste de software, controle e monitoramento de
temperatura, monitoramento de tempo e pH e comunicação;
4.7.1 Casos de Teste de Software
A seguir são apresentados os quadros com os casos de teste de software e os resultados de
sua execução no smartphone. Nesses são detalhadas as seguintes informações: descrição, pré-
condições, entrada de dados e resultados esperados.
55
Quadro 6. Detalhamento do caso de teste: Cadastrar receita.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Preencher os dados da receita e executar a ação de salvar a receita.
Pré-Condições Estar na tela de cadastro de receita.
Entrada de Dados Entrar com os dados da receita: - Nome: Red Ale.
- Litros: 10. - Fermento: S04.
Incluir: - Malte: Pale Ale 2000 gramas. - Malte: Vienna 1000 gramas.
Incluir Temperatura de Mostura: - Temperatura: 67°C 30 minutos.
- Temperatura: 70°C 25 minutos. Incluir Lúpulos:
- Lúpulo: Fuggle 60 minutos.
- Lúpulo: Nuggle 15 minutos. - Temperatura de Resfriamento: 22°C.
- Dias de Fermentação: 6. - Temperatura de Fermentação: 20°C. - Dias de Maturação: 10.
Resultado Esperado O sistema deve informar o sucesso na
operação, e a receita deve aparecer na listagem de receitas cadastradas.
Resultado do Teste: O sistema retornou a mensagem de sucesso da operação e a receita foi
incluída na lista de receitas.
Quadro 7. Detalhamento do caso de teste: Selecionar receita.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Selecionar uma das receitas que estiver na listagem.
Pré-Condições Estar na tela de receitas.
Entrada de Dados Não se aplica.
Resultado Esperado O sistema deve apresentar os nomes das
receitas cadastradas e abrir o cadastro de receita preenchido com os dados da receita.
Resultado do Teste: O sistema listou todas as receitas cadastradas e. ao selecionar uma delas, abriu
o cadastro da receita preenchida com suas informações.
Quadro 8. Detalhamento do caso de teste: Iniciar receita.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Escolher uma receita, e executar a ação de
iniciar a receita.
Pré-Condições Estar na tela de receitas.
56
Entrada de Dados Não se aplica.
Resultado Esperado O sistema deve abrir a tela de monitoramento
de receita e informar as etapas da receita e o seu status.
Resultado do Teste: O sistema abriu a tela de monitoramento da receita informando as etapas e
suas situações.
Quadro 9. Detalhamento do caso de teste: Monitorar etapa.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Entrar na tela de monitoramento.
Pré-Condições Uma receita já deve estar sido iniciada.
Entrada de Dados Não se aplica.
Resultado Esperado O sistema deve apresentar a situação de cada etapa.
Resultado do Teste: A cada etapa do processo foi aberta a tela de monitoramento e verificada a
situação de cada etapa. O teste foi bem sucedido em cada etapa do processo.
Quadro 10. Detalhamento do caso de teste: Acompanhar etapa.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Acompanhar a mudança de cada etapa.
Pré-Condições Uma receita já deve estar sido iniciada.
Entrada de Dados Não se aplica.
Resultado Esperado O sistema deve notificar a mudança de cada
etapa.
Resultado do Teste: Em cada etapa da receita o sistema enviou uma notificação ao usuário qual
etapa estava sendo iniciada. O teste foi bem sucedido.
4.7.2 Caso de Teste de Controle e Monitoramento de Temperatura
A seguir são apresentados os quadros com os casos de teste de controle e monitoramento de
temperatura e os resultados de sua execução. Nesses são detalhadas as seguintes informações:
descrição, pré-condições, entrada de dados e resultados esperados. Para cada caso de teste em
questão foram utilizadas rampas de temperatura de receitas prontas.
Quadro 11. Detalhamento do caso de teste: Controlar temperatura durante a mostura I.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Iniciar uma receita com apenas uma
temperatura de mostura cadastrada e realizar três amostragens durante o processo e comparar o valor apresentado no sistema com o obtido na
amostragem.
57
O valor das amostragens serão obtidas a partir de um termômetro imerso na solução.
Pré-Condições Receita com apenas uma temperatura de mostura cadastrada. Temperatura de mostura: 67°C.
Tempo: 60 minutos. A receita estar na etapa de mostura com o
.
Entrada de Dados Não se aplica.
Resultado Esperado A temperatura tem que estar dentro de uma faixa de 1°C acima ou abaixo da temperatura da etapa.
Amostras Tempo de retirada de cada amostra: 1. 10 minutos, 2. 35 minutos e 3. 52 minutos. 1. Sistema: 66.16°C Termômetro: 66°C.
2. Sistema: 67.56°C Termômetro:68°C. 3. Sistema: 69.50°C Termômetro: 67°C.
Resultado do Teste: A temperatura das 3 amostras apresentaram-se dentro da faixa de temperatura
esperada.
Quadro 12. Detalhamento do caso de teste: Controlar temperatura durante a mostura II.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Iniciar uma receita com duas temperatura de
mostura cadastrada e realizar três amostragens durante cada rampa de temperatura do processo
e comparar o valor apresentado no sistema com o obtido na amostragem. O valor das amostragens serão obtidas a partir
de um termômetro imerso na solução.
Pré-Condições Receita com apenas uma temperatura de mostura cadastrada.
1. Temperatura de mostura: 65°C. 1. Tempo: 30 minutos.
2. Temperatura de mostura: 69°C. 2. Tempo: 30 minutos. A receita estar na etapa de mostura com o
.
Entrada de Dados Não se aplica.
Resultado Esperado A temperatura tem que estar dentro de uma faixa de 1°C acima ou abaixo da temperatura
da etapa.
Amostras Tempo de retirada de cada amostra: 1. 5 minutos, 2. 13 minutos, 3. 22 minutos, 4. 36
minutos, 5. 45 minutos e 6. 55 minutos. 1. Sistema: 65.56°C Termômetro: 66°C. 2. Sistema: 65.76°C Termômetro:66°C.
3. Sistema: 64.60°C Termômetro: 65°C.
58
4. Sistema: 70.12°C Termômetro: 70°C. 5. Sistema: 69.46°C Termômetro: 70°C.
6. Sistema: 68.52°C Termômetro: 69°C.
Resultado do Teste: A temperatura de cinco das amostras apresentaram-se dentro da faixa de
temperatura esperada e apenas uma apresentou-se fora da faixa esperada.
4.7.3 Casos de Teste de Monitoramento de Tempo e pH
A seguir são apresentados os quadros com os casos de teste de monitoramento de tempo e pH e
os resultados de sua execução. Nesses são detalhadas as seguintes informações: descrição, pré-
condições, entrada de dados e resultados esperados.
Quadro 13. Detalhamento do caso de teste: Monitorar tempo.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Iniciar uma receita com um tempo de mostura cadastrada e realizar três amostragens durante o processo e comparar o valor apresentado no
sistema com o obtido na amostragem. O valor das amostras serão obtidas a partir de um
cronometro que será iniciado junto com o inicio da receita.
Pré-Condições Receita com um tempo de mostura cadastrada. Tempo: 60 minutos.
A receita estar na etapa de mostura com o status .
Entrada de Dados Não se aplica.
Resultado Esperado O tempo tem que estar dentro de uma faixa de 30
segundos acima ou abaixo do tempo da etapa.
Amostras 1. Sistema: 10 minutos Relógio: 10 min e 12 s. 2. Sistema: 30 minutos Relógio: 30 min e 13 s.
3. Sistema: 50 minutos Relógio: 50 min e 13 s.
Resultado do Teste: As três amostras apresentaram-se dentro da faixa de tempo estabelecida e
portanto o teste apresentou-se bem sucedido.
Quadro 14. Detalhamento do caso de teste: Monitorar pH.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Iniciar uma receita com um tempo de mostura cadastrada e realizar três amostragens durante o
processo e comparar o valor apresentado no sistema com o obtido na amostragem.
O valor das amostras serão obtidas a partir de um uma fita de pH que recebam uma amostra da solucão.
59
Pré-Condições A receita estar na etapa de mostura com o status .
Entrada de Dados Não se aplica.
Resultado Esperado O pH do sistema deve estar aproximada do teste da fita.
Amostras Tempo de retirada de cada amostra: 1. 15 minutos, 2. 30 minutos, 3. 50 minutos.
1. Sistema: 6.53 Fita: 7.0. 2. Sistema: 6.51 Fita: 7.0.
3. Sistema: 6.46 Fita: 7.0.
Resultado do Teste: As três amostras apresentaram-se próximas do resultado obtido nas fitas, no
entanto observou-se que enquanto o resultado obtido pelo sensor de pH decaia, o valor da fita
permanecia igual. Isso ocorre porque o valor obtido pela fita é realizado de forma visual.
4.7.4 Casos de Teste de Comunicação
A seguir são apresentados os quadros com os casos de teste de comunicação e os resultados de
sua execução. Nesses são detalhadas as seguintes informações: descrição, pré-condições, mensagem
e resultados esperados. Para cada caso de teste em questão foram utilizadas rampas de temperatura
de receitas prontas.
Quadro 15. Detalhamento do caso de teste: Enviar rampas de temperatura.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Enviar mensagem rampa de temperatura.
Pré-Condições -
Mensagem <TAG>
<MASH>
<ID>1</ID>
<TEMPERATURA>65.5</TEMPERATURA>
<TEMPO>60</TEMPO>
</MASH>
</TAG>
Resultado Esperado <RECEBIDO />
Resultado do Teste: Ao enviar a mensagem ao micro controlador o mesmo retornou a
mensagem esperada, portanto o teste foi considerado bem sucedido.
Quadro 16. Detalhamento do caso de teste: Iniciar brassagem.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Enviar mensagem para iniciar a brassagem.
Pré-Condições -
Mensagem <TAG><INICIAR></INICIAR>
Resultado Esperado <RECEBIDO />
60
Resultado do Teste: Ao enviar a mensagem ao micro controlador o mesmo retornou a
mensagem esperada, portanto o teste foi considerado bem sucedido.
Quadro 17. Detalhamento do caso de teste: Monitoramento.
Tipo de Teste Funcionalidade
Descrição Enviar mensagem com o valor das variáveis monitoradas.
Pré-Condições -
Mensagem <MASH>
<ID>1</ID>
<TEMPERATURA>67.5</TEMPERATURA>
<TEMPO>30</TEMPO>
<PH>6.5</PH>
</MASH>
Resultado Esperado O sistema deve apresentar na tela de monitoramento os valores recebidos.
Resultado do Teste: Ao enviar a mensagem ao sistema o mesmo atualizou a tela de
monitoramento com os valores da mensagem, portanto o teste foi considerado bem sucedido.
4.7.5 Análise dos Resultados
Para avaliar a solução desenvolvida, foram realizados 4 tipos de testes: (i) casos de teste que
validaram o software, (ii) casos de teste de controle, (iii) casos de teste de monitoramento e (iv)
casos de teste de comunicação. Os oito primeiros casos de teste visaram garantir que as
funcionalidades do sistema sejam respeitadas; os casos de testes de controle tiveram o intuito de
verificar se a solução era capaz de controlar a temperatura do mosto durante um período de tempo;
os casos de teste de monitoramento tiveram como objetivo validar as variáveis monitoradas; por
último, foram realizados os testes de comunicação entre o micro controlador e o sistema. Todos os
testes foram executados e validados conforme o esperado. Dessa forma, foi possível comprovar a
viabilidade da solução desenvolvida.
61
5 CONCLUSÕES
O trabalho propôs a utilização de diversas tecnologias buscando criar uma solução que
atenda as necessidades de micro cervejeiros artesanais durante o processo de brassagem. Para isso,
disponibiliza uma plataforma capaz de monitorar e controlar esse processo, fornecendo ao usuário
uma interface de comunicação para realizar as ações e monitoramentos da etapa de brassagem.
Os avanços da tecnologia e a popularização de aplicativos para dispositivos móveis
evidenciam o seu uso em sistemas automatizados. O uso da plataforma microcontrolada Arduino
facilitou a implementação da solução e a aplicação desenvolvida para o sistema operacional
Android, forneceu ao usuário maior controle sobre o processo, servindo também como um guia de
orientação. A integração entre esses dispositivos possibilitou a obtenção dos parâmetros
monitorados em tempo real e com maior precisão do que os obtidos de forma manual. A solução
pode ser considerada viável aos micros cervejeiros artesanais devido ao fato das tecnologias
utilizadas serem de fácil acesso e de baixo custo.
Após o desenvolvimento do protótipo, foram realizados testes do sistema, testes de controle
e do monitoramento, visando avaliar a qualidade da solução desenvolvida. Também foram
realizados testes de comunicação de modo a verificar a integração entre os dispositivos. Todos os
testes em que a plataforma foi submetida foram atendidos.
Por fim, pode-se considerar que a utilização de sensores e atuadores integrados a plataforma
Arduino possibilitaram o acompanhamento e acionamento necessário ao logo do processo de
brassagem. Diante do exposto, o protótipo comprovou a capacidade da solução em monitorar e
controlar o referido processo na produção de cervejas artesanais.
5.1 Trabalhos Futuros
Analisando as funcionalidades presentes no sistema e buscando melhorar a solução, as
seguintes sugestões de trabalhos futuros foram identificadas:
Implementar um sistema de recirculação no recipiente, visando um maior controle da
temperatura do mosto.
62
Implementar o monitoramento e controle das etapas de fermentação e maturação,
possibilitando um maior controle do processo de fabricação.
Desenvolver no sistema um módulo de histórico das receitas fabricadas, para que o
usuário possa analisar os resultados obtidos de cada receita produzida.
Desenvolver no sistema um módulo que fornece ao usuário cálculos de matérias primas
a serem utilizadas nas receitas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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