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Monitoramento da vibração de equipamentos para manutenção preditiva usando IoT

Arquitetura do hardware

  • Microcontrolador ESP32
  • Sensor MPU-6050 (acelerômetro/giroscópio)
  • LEDs

arquitetura-hardware

Conforme o desenho, o microcontrolador se conecta ao sensor pela interface I2C, pinos SLC e SDA. Os LED`s utilizam as portas GPIO 5, 16 e 17.

Arquivos (hardware)

  • sensor.ino - arquivo principal que realiza os seguintes procedimentos:

    • Conexão com wifi local (init_wifi / connect_wifi / verify_wifi_connection);
    • Conexão npt server para sincronizar relógio;
    • Conexão com broker MQTT para publicação e recebimento de mensagens (init_MQTT - define configurações para conexão com broker MQTT; connect_MQTT - conecta com broker MQTT e subscreve ao topic "equipment/actions" em mqtt_callback);
    • Acionamento de LED's ( mqtt_callback - recebe JSON com as informações necessárias);
    • Leitura e envio de dados de vibração (função loop realiza a leitura, acumula e empacota JSON para publicar em "equipment/vibration");
    • Configurações gerais e função de controle setup.

  • I2C.ino - arquivo complementar, realiza a leitura e gravação de registradores, extraindo as informações dos eixos pitch e roll.

Arquivos (Server)

Broker

  • initialize_DB_Tables.py cria banco de dados para armazenar leituras;
  • mqtt_Listen_Sensor_Data.py conecta e subscreve ao broker para receber os pacotes enviados pelo sensor;
  • store_Sensor_Data_to_DB.py conecta ao ao banco de dados, desempacota JSON e grava as leituras;
  • IoT.db banco de dados.

Algoritmo de análise de vibração

  • main.py arquivo principal que organiza a leitura e processamento dos dados gravados e plota o gráfico em tela;
  • read_data.py busca as informações de vibração armazenadas em banco de dados
  • calc.py com funções que realizam o cálculo do desvio padrão, cálculo e armazenaento do offset e definição dos limites das faixas de repouso/operação/alerta
  • mqtt_send.py subscreve e publica mensagens para comunicação com ESP32 e com dashboard mobile - acionamento de leds, contagem de alertas e formatação e envio de dados de vibração
  • settings.py armazenamento e leitura de offsets no arquivo settings.ini
  • settings.ini armazena os offsets de pitch e roll
  • simulate.py complementar, simula o processo de gravação das leituras em banco de dados em blocos de 10, da mesma forma que é feito pelo broker MQTT quando o ESP está ativo. Deve ser acionado por uma thread no arquivo main.py.

Instruções

Pré-requisitos

  • Instalar Mosquitto (MacOS):
brew install mosquitto
  • Instalar paho-mqtt localmente
pip3 install paho–mqtt

  • Instalar Python3 com bibliotecas numpy, sqlite3, pandas, matplotlib, paho, json, threading

  • Instalar IDE Arduino ou similar para compilar para o ESP32

Configurações

  • Alterar referências ao endereço IP do broker MQTT
  • Alterar referências a rede Wifi (ssid, user, password)

Executar

  • Executar Mosquitto (MacOS)
/usr/local/sbin/mosquitto -c /usr/local/etc/mosquitto/mosquitto.conf
  • Executar script para realizar recebimento de dados MQTT e
python3 mqtt_Listen_Sensor_Data.py
  • Iniciar server:
python3 main.py

Complementar

  • Acessar dados via SQLite:
sqlite3 IoT.db
  • Simular Mosquitto pub e sub:
mosquitto_pub -t xpto/temperature -m 22
mosquitto_sub -h 192.168.0.25 -p 1883 -v -t 'xpto/temperature'

Referências:

Kalman Filter - TKJElectronics

Enviar e receber dados via MQTT - Newton C Braga

MQTT read and store data - IOTBytes, Pradeep Singh