Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário
Autor(a) principal: | |
---|---|
Data de Publicação: | 2024 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPB |
Texto Completo: | http://tede.bc.uepb.edu.br/jspui/handle/tede/4904 |
Resumo: | O atual modelo de monitoramento ambiental de biogás em aterros sanitários caracteriza-se por medições periódicas em drenos verticais de gases e na camada de cobertura de solo compactado, com o uso de instrumentação clássica de elevado custo e constante necessidade de manutenção. Uma alternativa a essas medições são as soluções em Internet das Coisas (IoT) que possibilitam o desenvolvimento de um sistema automatizado com sensores de baixo custo e transmissão de dados em tempo real. Nesse contexto, um dispositivo denominado de Nariz Eletrônico pode ser empregado. O objetivo dessa pesquisa foi desenvolver um Nariz Eletrônico, no contexto de IoT, de baixo custo, fácil manuseio e baixo consumo de energia elétrica, para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterros sanitários e transmissão de dados em tempo real. Esse estudo foi realizado no Aterro Sanitário em Campina Grande - PB e a metodologia foi dividida em três etapas: medições de biogás nos drenos verticais, para o mapeamento das emissões de biogás no aterro; calibração do Nariz Eletrônico IoT, com o planejamento do sistema de calibração, da coleta de biogás no aterro e o treinamento de uma Rede Neural Artificial (RNA) para melhorar a seletividade dos sensores; e desenvolvimento do Nariz Eletrônico IoT, com a montagem do protótipo final, a instalação de uma torre de transmissão de dados com a tecnologia LoRaWAN e o planejamento da aplicação em campo. O processo de medição de biogás nos drenos resultou em mapas de geoespacialização para os gases metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), oxigênio (O2), monóxido de carbono (CO) e gás sulfídrico (H2S), que permitiram identificar a influência de parâmetros operacionais e biodegradativos dos resíduos no processo de emissão dos gases, demonstrando que a ferramenta de análise espacial pode subsidiar o monitoramento de aterros sanitários. A RNA treinada para a calibração do Nariz Eletrônico IoT apresentou um bom desempenho, permitindo a redução da quantidade de sensores utilizados inicialmente, sem perda significativa de desempenho da rede, e apresentando Raízes Quadradas dos Erros Médios (RMSE) com valores abaixo de 1 para a maioria das saídas de gases alvo (CH4, CO2, O2 e CO), exceto para o H2S, que foi de 1,47209 com a função de ativação escolhida (ELU). O protótipo final do dispositivo desenvolvido apresentou um menor custo frente às instrumentações clássicas, podendo impactar positivamente os custos com o monitoramento ambiental de aterros sanitários. |
id |
UEPB_cf1d1646df03dcfa0f135d590d753341 |
---|---|
oai_identifier_str |
oai:tede.bc.uepb.edu.br:tede/4904 |
network_acronym_str |
UEPB |
network_name_str |
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPB |
repository_id_str |
|
spelling |
Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitárioDevelopment of an electronic nose in the internet of things context for automated measurements of biogas parameters in landfillsRedes neurais artificiaisRedes de sensores sem fioGeoespacializaçãoMonitoramento ambiental.ENGENHARIASO atual modelo de monitoramento ambiental de biogás em aterros sanitários caracteriza-se por medições periódicas em drenos verticais de gases e na camada de cobertura de solo compactado, com o uso de instrumentação clássica de elevado custo e constante necessidade de manutenção. Uma alternativa a essas medições são as soluções em Internet das Coisas (IoT) que possibilitam o desenvolvimento de um sistema automatizado com sensores de baixo custo e transmissão de dados em tempo real. Nesse contexto, um dispositivo denominado de Nariz Eletrônico pode ser empregado. O objetivo dessa pesquisa foi desenvolver um Nariz Eletrônico, no contexto de IoT, de baixo custo, fácil manuseio e baixo consumo de energia elétrica, para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterros sanitários e transmissão de dados em tempo real. Esse estudo foi realizado no Aterro Sanitário em Campina Grande - PB e a metodologia foi dividida em três etapas: medições de biogás nos drenos verticais, para o mapeamento das emissões de biogás no aterro; calibração do Nariz Eletrônico IoT, com o planejamento do sistema de calibração, da coleta de biogás no aterro e o treinamento de uma Rede Neural Artificial (RNA) para melhorar a seletividade dos sensores; e desenvolvimento do Nariz Eletrônico IoT, com a montagem do protótipo final, a instalação de uma torre de transmissão de dados com a tecnologia LoRaWAN e o planejamento da aplicação em campo. O processo de medição de biogás nos drenos resultou em mapas de geoespacialização para os gases metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), oxigênio (O2), monóxido de carbono (CO) e gás sulfídrico (H2S), que permitiram identificar a influência de parâmetros operacionais e biodegradativos dos resíduos no processo de emissão dos gases, demonstrando que a ferramenta de análise espacial pode subsidiar o monitoramento de aterros sanitários. A RNA treinada para a calibração do Nariz Eletrônico IoT apresentou um bom desempenho, permitindo a redução da quantidade de sensores utilizados inicialmente, sem perda significativa de desempenho da rede, e apresentando Raízes Quadradas dos Erros Médios (RMSE) com valores abaixo de 1 para a maioria das saídas de gases alvo (CH4, CO2, O2 e CO), exceto para o H2S, que foi de 1,47209 com a função de ativação escolhida (ELU). O protótipo final do dispositivo desenvolvido apresentou um menor custo frente às instrumentações clássicas, podendo impactar positivamente os custos com o monitoramento ambiental de aterros sanitários.The current model for environmental monitoring of biogas in landfills is characterized by periodic measurements in vertical gas drains and in the compacted soil cover layer, using classic instrumentation that is expensive and requires constant maintenance. An alternative to these measurements are Internet of Things (IoT) solutions that enable the development of an automated system with low-cost sensors and real-time data transmission. In this context, a device called Electronic Nose can be used. The objective of this research was to develop an Electronic Nose, in the context of IoT, with low cost, easy handling and low electricity consumption, for automated measurements of biogas parameters in landfills and data transmission in real time. This study was carried out at the Sanitary Landfill in Campina Grande-PB and the methodology was divided into three stages: biogas measurements in vertical drains, to map biogas emissions in the landfill; calibration of the IoT Electronic Nose, with planning of the calibration system, the collection of biogas at the landfill and the training of an Artificial Neural Network (ANN) to improve the selectivity of the sensors; and development of the IoT Electronic Nose, with the assembly of the final prototype, the installation of a data transmission tower with LoRaWAN technology and the planning of the field application. The process of measuring biogas in drains resulted in geospatial maps for the gases methane (CH4), carbon dioxide (CO2), oxygen (O2), carbon monoxide (CO) and hydrogen sulfide gas (H2S), which made it possible to identify the influence of operational and biodegradative parameters of waste on the gas emission process, demonstrating that the spatial analysis tool can support the monitoring of landfills. The ANN trained to calibrate the IoT Electronic Nose presented a good performance, allowing the reduction of the number of sensors used initially, without significant loss of network performance, and presenting Root Mean Square Error (RMSE) with values less than 1 for the most target gas outputs (CH4, CO2, O2 and CO), except for H2S, which was 1.47209 with the chosen activation function (ELU). The final prototype of the device developed presented a lower cost compared to classic instrumentation, and could positively impact the costs of environmental monitoring landfills.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqFundação de Apoio à Pesquisa do Estado da Paraíba - FAPESQUniversidade Estadual da ParaíbaPró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa - PRPGPBrasilUEPBPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Ambiental - PPGCTAPaiva, William dehttps://orcid.org/0000-0003-0220-1247http://lattes.cnpq.br/2612977983185686Souza, Cleonilson Protasio dehttps://orcid.org/0000-0001-8182-3516http://lattes.cnpq.br/5635983022553950Luiz, Marcia Ramoshttp://lattes.cnpq.br/2008550921202824Alcântara, Perboyre Barbosahttp://lattes.cnpq.br/0709303099072168Henriques, Juscelino Alveshttp://lattes.cnpq.br/1264452207403147Araujo Neto, Claudio Luis dehttp://lattes.cnpq.br/4634434245660979Marques Junior, Francisco Auriberto Ferreira2024-03-26T13:24:14Z2999-12-312024-02-20info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfMARQUES JUNIOR, Francisco Auriberto Ferreira. Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário. 2024. 76 p. Tese (Doutorado em Engenharia Ambiental) - Universidade Estadual da Paraíba, Centro de Ciências e Tecnologia, Campina Grande, 2024.http://tede.bc.uepb.edu.br/jspui/handle/tede/4904porinfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPBinstname:Universidade Estadual da Paraíba (UEPB)instacron:UEPB2024-03-26T13:24:19Zoai:tede.bc.uepb.edu.br:tede/4904Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://tede.bc.uepb.edu.br/jspui/PUBhttp://tede.bc.uepb.edu.br/oai/requestbc@uepb.edu.br||opendoar:2024-03-26T13:24:19Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPB - Universidade Estadual da Paraíba (UEPB)false |
dc.title.none.fl_str_mv |
Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário Development of an electronic nose in the internet of things context for automated measurements of biogas parameters in landfills |
title |
Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário |
spellingShingle |
Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário Marques Junior, Francisco Auriberto Ferreira Redes neurais artificiais Redes de sensores sem fio Geoespacialização Monitoramento ambiental. ENGENHARIAS |
title_short |
Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário |
title_full |
Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário |
title_fullStr |
Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário |
title_full_unstemmed |
Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário |
title_sort |
Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário |
author |
Marques Junior, Francisco Auriberto Ferreira |
author_facet |
Marques Junior, Francisco Auriberto Ferreira |
author_role |
author |
dc.contributor.none.fl_str_mv |
Paiva, William de https://orcid.org/0000-0003-0220-1247 http://lattes.cnpq.br/2612977983185686 Souza, Cleonilson Protasio de https://orcid.org/0000-0001-8182-3516 http://lattes.cnpq.br/5635983022553950 Luiz, Marcia Ramos http://lattes.cnpq.br/2008550921202824 Alcântara, Perboyre Barbosa http://lattes.cnpq.br/0709303099072168 Henriques, Juscelino Alves http://lattes.cnpq.br/1264452207403147 Araujo Neto, Claudio Luis de http://lattes.cnpq.br/4634434245660979 |
dc.contributor.author.fl_str_mv |
Marques Junior, Francisco Auriberto Ferreira |
dc.subject.por.fl_str_mv |
Redes neurais artificiais Redes de sensores sem fio Geoespacialização Monitoramento ambiental. ENGENHARIAS |
topic |
Redes neurais artificiais Redes de sensores sem fio Geoespacialização Monitoramento ambiental. ENGENHARIAS |
description |
O atual modelo de monitoramento ambiental de biogás em aterros sanitários caracteriza-se por medições periódicas em drenos verticais de gases e na camada de cobertura de solo compactado, com o uso de instrumentação clássica de elevado custo e constante necessidade de manutenção. Uma alternativa a essas medições são as soluções em Internet das Coisas (IoT) que possibilitam o desenvolvimento de um sistema automatizado com sensores de baixo custo e transmissão de dados em tempo real. Nesse contexto, um dispositivo denominado de Nariz Eletrônico pode ser empregado. O objetivo dessa pesquisa foi desenvolver um Nariz Eletrônico, no contexto de IoT, de baixo custo, fácil manuseio e baixo consumo de energia elétrica, para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterros sanitários e transmissão de dados em tempo real. Esse estudo foi realizado no Aterro Sanitário em Campina Grande - PB e a metodologia foi dividida em três etapas: medições de biogás nos drenos verticais, para o mapeamento das emissões de biogás no aterro; calibração do Nariz Eletrônico IoT, com o planejamento do sistema de calibração, da coleta de biogás no aterro e o treinamento de uma Rede Neural Artificial (RNA) para melhorar a seletividade dos sensores; e desenvolvimento do Nariz Eletrônico IoT, com a montagem do protótipo final, a instalação de uma torre de transmissão de dados com a tecnologia LoRaWAN e o planejamento da aplicação em campo. O processo de medição de biogás nos drenos resultou em mapas de geoespacialização para os gases metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), oxigênio (O2), monóxido de carbono (CO) e gás sulfídrico (H2S), que permitiram identificar a influência de parâmetros operacionais e biodegradativos dos resíduos no processo de emissão dos gases, demonstrando que a ferramenta de análise espacial pode subsidiar o monitoramento de aterros sanitários. A RNA treinada para a calibração do Nariz Eletrônico IoT apresentou um bom desempenho, permitindo a redução da quantidade de sensores utilizados inicialmente, sem perda significativa de desempenho da rede, e apresentando Raízes Quadradas dos Erros Médios (RMSE) com valores abaixo de 1 para a maioria das saídas de gases alvo (CH4, CO2, O2 e CO), exceto para o H2S, que foi de 1,47209 com a função de ativação escolhida (ELU). O protótipo final do dispositivo desenvolvido apresentou um menor custo frente às instrumentações clássicas, podendo impactar positivamente os custos com o monitoramento ambiental de aterros sanitários. |
publishDate |
2024 |
dc.date.none.fl_str_mv |
2024-03-26T13:24:14Z 2024-02-20 2999-12-31 |
dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
format |
doctoralThesis |
status_str |
publishedVersion |
dc.identifier.uri.fl_str_mv |
MARQUES JUNIOR, Francisco Auriberto Ferreira. Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário. 2024. 76 p. Tese (Doutorado em Engenharia Ambiental) - Universidade Estadual da Paraíba, Centro de Ciências e Tecnologia, Campina Grande, 2024. http://tede.bc.uepb.edu.br/jspui/handle/tede/4904 |
identifier_str_mv |
MARQUES JUNIOR, Francisco Auriberto Ferreira. Desenvolvimento de um nariz eletrônico no contexto de internet das coisas para medições automatizadas de parâmetros de biogás em aterro sanitário. 2024. 76 p. Tese (Doutorado em Engenharia Ambiental) - Universidade Estadual da Paraíba, Centro de Ciências e Tecnologia, Campina Grande, 2024. |
url |
http://tede.bc.uepb.edu.br/jspui/handle/tede/4904 |
dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
language |
por |
dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/embargoedAccess |
eu_rights_str_mv |
embargoedAccess |
dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
dc.publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Estadual da Paraíba Pró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa - PRPGP Brasil UEPB Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Ambiental - PPGCTA |
publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Estadual da Paraíba Pró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa - PRPGP Brasil UEPB Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Ambiental - PPGCTA |
dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPB instname:Universidade Estadual da Paraíba (UEPB) instacron:UEPB |
instname_str |
Universidade Estadual da Paraíba (UEPB) |
instacron_str |
UEPB |
institution |
UEPB |
reponame_str |
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPB |
collection |
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPB |
repository.name.fl_str_mv |
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPB - Universidade Estadual da Paraíba (UEPB) |
repository.mail.fl_str_mv |
bc@uepb.edu.br|| |
_version_ |
1811813193696149504 |