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INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO DE PORTO AMBOIM (Aprovado por Decreto Presidencial Nº. 168/2012, Diário da República Nº 141-1ª Série, de 24 de Julho) DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS TRABALHO DE FIM DE CURSO DE LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELECTRÓNICA COM ÊNFASE EM SISTEMAS DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO PROPOSTA DE UM SISTEMA DE SEMÁFOROS PARA ALERTA DE APROXIMAÇÃO DE VEÍCULOS COM PRIORIDADE PARA CIDADE DO SUMBE REALIZADO POR: CÉSAR SANTARENO SOMA ORIENTADOR: JOAQUIM CONSTANTINO PORTO AMBOIM, NOVEMBRO DE 2024 Registado sob o No. /2024 César Santareno Soma PROPOSTA DE UM SISTEMA DE SEMÁFOROS PARA ALERTA DE APROXIMAÇÃO DE VEÍCULOS COM PRIORIDADE PARA CIDADE DO SUMBE Trabalho de Fim de Curso submetido ao Júri examinador designado pelo Núcleo de Licenciatura em Engenharia Electrónica, do Instituto Superior Politécnico de Porto Amboim, ISUP, como pré-requisito para a obtenção de título de Licenciatura em Engenharia Electrónica. Aprovado em de de 2024 Por: _______________________________________ Orientador: Joaquim Constantino ____________________________________________ Chefe de Departamento: MSc: Letícia Herrera Iglesias Dedicatória Esse trabalho é dedicado a Deus, à minha família, e a todos que acreditaram em mim. Agradecimentos Agradeço primeiramente a Deus, pela força e sabedoria para superar os desafios desta caminhada. À minha família, pelo amor incondicional, apoio e compreensão durante todos os momentos. Aos meus professores e ao orientador, pela paciência, dedicação e por compartilharem seu vasto conhecimento, que foi essencial para a conclusão deste trabalho. Aos colegas e amigos do Instituto Superior Politécnico de Porto Amboim, pela convivência enriquecedora e pelas trocas de experiências que tornaram esta jornada mais leve e significativa. Por fim, agradeço a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para o meu crescimento acadêmico e pessoal. Este trabalho é também fruto de todos vocês. Índice Pág. Lista de figuras ................................................................................................................................. I Lista de tabelas ............................................................................................................................... III Lista de abreviaturas, siglas e símbolos ........................................................................................ IV Resumo ........................................................................................................................................... VII Abstract .......................................................................................................................................... VIII Introdução ........................................................................................................................................ 1 Capítulo 1: Referencial teórico sobre sistema de semáforos ........................................................ 5 1.1. Antecedentes históricos ..................................................................................................... 5 1.1.1. Semáforo eléctrico ..................................................................................................... 6 1.1.2. Semáforo inteligente .................................................................................................. 7 1.1.3. Sinalização semafórica .............................................................................................. 8 1.2. Conceitos e generalidades ................................................................................................ 12 1.2.1. Classificação de semáforo ....................................................................................... 12 1.2.2. Elementos que compõem o semáforo ...................................................................... 13 1.2.3. Vantagens e desvantagens do semáforo ................................................................... 18 1.2.4. Critérios gerais para a instalação do semáforo ......................................................... 19 1.2.5. Condição para instalação do semáforo .................................................................... 20 1.2.6. Intersecções na via ................................................................................................... 20 1.2.7. Sincronização de semáforos ..................................................................................... 21 Capítulo 2: caracterização e descrição do sistema de semáforos proposto ............................... 24 2.1.Principais pontos de intercessão da cidade do Sumbe. .............................................................. 24 2.1.1. Diagnóstico ............................................................................................................................ 25 2.1.2. Validação do inquérito por questionário ................................................................................ 26 2.1.3. Apresentação dos resultados do questionário ........................................................................ 27 2.1.4. Impacto do sistema proposto na Cidade do Sumbe ............................................................... 28 2.2. Descrição dos principais hardwares utilizados no protótipo .................................................... 28 2.2.1. Módulos RF 433 MHz ........................................................................................................... 28 2.2.2. Codificador e decodificador (HT12E e HT12D) ................................................................... 34 2.2.3. Circuito Integrado 4017 ......................................................................................................... 35 2.2.4. Circuito integrado 555 ........................................................................................................... 37 2.2.5. Antena..... .............................................................................................................................. 40 2.2.5. LEDs...... ................................................................................................................................ 43 2.3. Desenvolvimento e montagem do sistema proposto ................................................................. 44 2.3.1. Software utilizado no protótipo ............................................................................................. 44 2.3.2. Construção do protótipo ........................................................................................................ 46 2.4. Funcionamento do sistema de semáforo para alerta de veículos prioritários ............................ 52 Conclusões ...................................................................................................................................... 54 Recomendações ............................................................................................................................... 55 Anexos ............................................................................................................................................ 62 I Lista de figuras Pág. Figura 1: Primeiro semáforo .................................................................................................. 6 Figura 2: Primeiro semáforo elétrico ..................................................................................... 6 Figura 3: Semáforo inteligenteA modulação ASK é amplamente utilizada em diversas aplicações, como em sistemas de comunicação sem fio, como o Wi-Fi, e em sistemas de transmissão de dados por infravermelho. Ela permite transmitir informações de forma eficiente e confiável, mesmo em ambientes com interferências. A vantagem do chaveamento de Amplitude Shift é a facilidade de implementação. O circuito do descodificador é bastante simples de projectar. Além disso, ASK requer menos largura de banda do que outras técnicas de modulação, como FSK (Frequency Shift Keying). Esta é uma das razões pelas quais é rentável. A desvantagem do ASK é que ele é susceptível 34 à interferência de outros equipamentos de rádio e ruído ambiente. No entanto, contanto que você transmita dados a uma taxa relativamente lenta, ele pode funcionar de forma confiável na maioria dos ambientes. 2.2.2. Codificador e decodificador (HT12E e HT12D) Os codificadores e descodificadores são encoder’s utilizados para a codificação e decodificação da mensagem no ato do envio/entrega, a fim de evitar possíveis interferência e prover um filtro para o sistema. Os sistemas de radiofrequência que necessitam de sigilo de dados, também necessitam de protecção, como é o caso das conhecidas redes Wi-Fi pessoais, que utilizam uma SSID para identificação da rede e uma senha, criada pelo usuário, a partir do gateway ou roteador. Dessa forma, ocorrerá a protecção dos dados para que não permita que qualquer pessoa possa obter as informações por radiofrequência. O HT12E é um circuito integrado codificador de 12 bits que é utilizado em aplicações com controlo remoto (transmissor RF) que opera na faixa de 433MHz. Este CI converte entradas paralelas em saída serial, ou seja, ele codifica os dados paralelos de 12 bits para transmissão em série a partir de um transmissor RF, sendo que destes 12 bits, 8 bits (A0 - A7) são para endereçamento e 4 bits (AD0 - AD3) são de dados. É importante ressaltar que o circuito integrado descodificador se for trabalha com o codificador deverá ter o mesmo número de endereços e o mesmo formato de dados. O codificador pode ser observado na figura 26. Figura 21 Codificador (circuito integrado HT 12E) Fonte: https://www.geekfactory.mx/producto/ht12e-circuito-integrado-codificador/ O HT12D é um circuito integrado descodificador de 12 bits que é utilizado em aplicações com receptor RF que opera na faixa de 433MHz. Dos 12 bits deste circuito integrado, 8 bits (A0 - A7) são para endereçamento e 4 bits (D0 - D3) são de dados. Este CI converte entrada serial em saídas paralelas, ou seja, ele decodifica os dados seriais recebidos pelo receptor RF e os converte em dados paralelos e os envia aos pinos de saída. O descodificador pode ser observado na figura 27. 35 Figura 22 Descodificador (circuito integrado HT12D) Fonte: https://www.geekfactory.mx/producto/ht12e-circuito-integrado-codificador/ A tabela 4, são apresentadas as características técnicas do codificador (encoder HT12E) e descodificador (decoder HT12E). Tabela 5 Especificações técnicas do HT12E e HT12E Descrição Encoder HT12E Decoder HT12D Tensão de operação 2,4 a 12DV 2,4 a 12DV Corrente de operação (máx) 300µA 400µA Endereçamento 8 pinos 8 pinos Pinos de dados 4 4 Peso 1g 1g Fonte: https://www.autocorerobotica.com.br/codificador-e-decoficador-ht12d-ht12e 2.2.3. Circuito Integrado 4017 O circuito integrado 4017 pertence à família CMOS de circuitos integrados "Complementary Metal Oxide Semiconductor", sigla que corresponde a um tipo de tecnologia que utiliza transístores de efeito de campo, ou "field effect transistor" (FET), em lugar dos transístores bipolares comuns (como nos circuitos TTL), para elaboração dos circuitos integrados digitais. No circuito integrado 4017 os componentes podem funcionar com tensões de 3 a 15 Volts e possuem características que permitem sua interligação directa e com outros componentes como o 555. No 4017 encontramos um contador/descodificador Johnson com uma entrada e 10 saídas, conforme mostra o diagrama de blocos da figura 28. 36 Figura 23 Diagrama de blocos do circuito integrado 4017 Fonte: https://eu.mouser.com/quality/?utm_source=dv360- globalhq&utm_medium=display&utm_campaign=dynamic-authentic- products&dclid=CLjO0ZS8l4YDFQYkBgAd_vQHlA Conforme podemos ver, ele é formado por 5 etapas que podem fazer a divisão de um sinal rectangular por valores entre 2 e 9. O 4017 é fornecido em invólucro DIL de 16 pinos com a disposição de terminais mostrada na figura 29. Figura 24 Invólucro e Pinagem da versão DIL Fonte: https://eu.mouser.com/quality/?utm_source=dv360- globalhq&utm_medium=display&utm_campaign=dynamic-authentic- products&dclid=CLjO0ZS8l4YDFQYkBgAd_vQHlA Na operação normal, os pinos 13 e 15 são aterrados e pulsos rectangulares são aplicados ao pino de entrada (14). Conforme podemos ver então pelo diagrama de tempos mostrado na figura 30, partindo da condição em que a saída S0 se encontra no nível alto, e as demais no nível baixo, ocorre o seguinte: a cada pulso aplicado, a saída que está no nível alto passa ao nível baixo e a seguinte passa ao nível alto. 37 Figura 25 Diagrama de tempos do 4017 Fonte: https://eu.mouser.com/quality/?utm_source=dv360- globalhq&utm_medium=display&utm_campaign=dynamic-authentic- products&dclid=CLjO0ZS8l4YDFQYkBgAd_vQHlA 2.2.4. Circuito integrado 555 O circuito CI 555 é um circuito integrado que foi desenvolvido originalmente para servir como um oscilador e timer com um uso geral. Ele foi criado pelo engenheiro Hans Camenzind em 1970, e mesmo passados 50 anos da sua criação, pouco se mudou na composição deste circuito. Existem teorias dizendo que a sua identificação como 555 é feita por causa do divisor de tensão interno que ele possui, que tem três resistores com 5.000 Ohms cada. Devido à grande versatilidade deste componente, foram e ainda são criadas incontáveis aplicações para o mesmo como: § Modulador por largura de pulso; § Oscilador Intermitente; § Inversor; § Sensor Fotoeléctrico; § Metrônomo/Pisca-Pisca; § Divisor de Frequência; § Oscilador de Áudio Básico; § Temporizador Duplo; 38 § Oscilador Modulado em Frequência; § Detector de Ausência de Pulso; § Gerador/Emissor de pulso e outros; Este componente possui uma série de oito terminais, sendo dispostos quatro de cada lado, tal como mostra a figura 31. A identificação dos terminais é feita no sentido anti- horário, tal como mostra a figura 30, mas depende da posição da parte chanfrada do CI 555. Assim como nos outros Circuitos Integrados, a parte chanfrada é o ponto de partida para a identificação dos terminais, no caso do CI 555 ela normalmente fica para cima ou para a esquerda. E a partir da área chanfrada, é feita a identificação dos oito pinos, conforme a imagem abaixo. Figura 26 Disposição e identificação dos pinos do 555 Fonte: https://eu.mouser.com/quality/?utm_source=dv360- globalhq&utm_medium=display&utm_campaign=dynamic-authentic- products&dclid=CLjO0ZS8l4YDFQYkBgAd_vQHlA Descrição dos pinos do circuito integrado 555: § GND: Este é o polo negativo da alimentação, geralmente terra. § Viagem: É onde o início do tempo de atraso é definido se o 555 estiver definido como monoestável. Esse processo de tropeço ocorre quando esse pino tem menos de 1/3 da tensão de alimentação. § Saída: neste pino é possível visualizar o resultado da operação do temporizador, se ele está conectado como monoestável, estável ou outro. Quando a saída é alta, a tensão será a tensão de alimentação (Vdc) menos 1,7V. Esta saída pode ser forçada a ser de quase 0 volts com a ajuda do pino de reset. § Reset: Se definido para um nível abaixo de 0,7V, defina o pino de saída para baixo. Se, por algum motivo, esse pino não for usado, ele deve ser conectado à alimentação para evitarque o temporizador seja reiniciado. § Controlo de tensão: Quando o temporizador é usado no modo controlador de 39 tensão, a tensão neste pino pode variar quase de Vdc (na prática como Vdc -1,7 V) a quase 0 V (aproximadamente 2 V a menos). Isso possibilita modificar o timing. Também pode ser configurado para, por exemplo, gerar pulsos de rampa. § Limiar: Esta é uma entrada para um comparador interno que é usado para definir a saída para um nível baixo. § Descarga: Utilizada para descarregar efectivamente o capacitor externo utilizado pelo temporizador para seu funcionamento. § Tensão de alimentação (Vdc): Este é o pino onde a tensão de alimentação de 4, 5 V a 16 V é conectada. O temporizador 555 é um dispositivo, na forma de CI, versátil e amplamente usado pois pode ser configurado em dois modos diferentes: multivibrador monoestável ou um multivibrador astável (oscilador). Um multivibrador astável não tem estado estável oscilando entre dois estados estáveis sem qualquer disparo externo. Para configurar o temporizador 555 como monoestável não-redisparável são usados um resistor e um capacitor externos como mostra a figura 32. A largura do pulso da saída é determinada pela constante de tempo de R1 e C1 de acordo com a fórmula: 𝑡𝑤 = 1,1𝑅1𝐶1 Figura 27 Temporizador 555 conectado como monoestável Fonte: T. Floyd, sistemas digitais fundamentos e aplicações, 9ª Edição ed., Laser House, 2007. Um temporizador 555 conectado para operar como um multivibrador astável, o qual não é um oscilador senoidal, é mostrado na figura 26. Observa-se que a entrada de limiar agora está conectada na entrada de disparo. Os componentes externos R1, R2 e C1 formam o circuito de temporização que define a frequência de oscilação. O capacitor de 0,001 μF, C2, é conectado na entrada de controlo (CONT) estritamente para desacoplamento e não tem efeito na operação; em alguns casos ele pode ser suprimido. 40 Figura 28 Temporizador 555 conectado como astável Fonte: T. Floyd, sistemas digitais fundamentos e aplicações, 9ª Edição ed., Laser House, 2007. 2.2.5. Antena Para comunicações sem fio, o transmissor deve ser conectado a um componente que irradie a frequência de rádio sobre condições desejadas, e do lado da recepção outro componente que capture esta irradiação nas mesmas condições. Estes componentes irradiando são chamadas antenas. A palavra antena tem origem latina e significa uma vara muito flexível. A antena não é uma invenção humana, mas foi usada por milhões de anos por lagostas, camarões e numerosos insectos como sensor no formato de uma vara flexível. Foi o físico russo Popov quem iniciou o uso desta palavra para a sua invenção de um detector de tempestades atmosféricas; após isto, todos os físicos utilizando a equação de Maxwell adoptaram esta expressão: Ñ 𝑥 𝐸 = −𝑗wµ𝐻 – 𝐽𝑚 Ñ 𝑥 𝐻 = (s + 𝑗we)𝐸 + 𝐽 µÑ. 𝐻 = r𝑚 eÑ. 𝐸 = r Onde: E – campo eléctrico; H – campo magnético; J – densidade da corrente elétrica; Jm – corrente magnética fictícia; r - Densidade de carga elétrica; s - Condutividade do meio; e - Permissividade elétrica do meio; µ - Permeabilidade magnética do meio w - Frequência angular (2pf); 41 f - frequência. Para que comunicação entre antenas aconteça é necessário a transmissão de ondas electromagnéticas que são uma forma de energia que se propaga através de campos elétricos e magnéticos oscilantes, e elas não requerem um meio material para se propagar, o que as torna capazes de viajar através do vácuo. A existência de ondas electromagnética foi prevista matematicamente por James Clerk Maxwell (1831-1879), entretanto, a produção artificial e detecção desse tipo de ondas ocorreu apenas em 1887, graças aos experimentos conduzidos pelo físico alemão Heinrich Hertz (1857-1894) tais experimentos ajudaram a comprovar a natureza ondulatória da radiação electromagnética. Por sua vez, o primeiro transmissor de ondas de rádio plenamente funcional foi desenvolvido pelo italiano Guglielmo Marconi (1874-1937), por volta de 1895, e passou a ser comercializado em meados de 1900. A figura representa o diagrama comportamental da onda electromagnética. Figura 29 Composição de onda electromagnética Fonte: https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/ondas-radio.htm As antenas são dispositivos que captam e transmitem sinais de natureza electromagnética. Por meio delas, nós humanos, somos capazes de transmitir e receber informações diariamente. Uma antena é um componente desenvolvido para irradiar ou captar ondas electromagnéticas. Antena atua como uma interface entre uma linha de transmissão e o espaço livre. Desta forma, ela pode actuar tanto como um transmissor quanto receptor de ondas electromagnéticas. A eficiência de qualquer meio de comunicação por meio do rádio, principalmente tratando-se de equipamento QRP (Low power – operação de baixa frequência), depende em grande parte da antena ou conjunto de antenas que são utilizadas. É por esta razão que se deve ter o máximo cuidado na escolha da antena; caso contrário, ela transformar-se-á num factor limitante. A antena determina se a potência disponível será irradiada em todas as direcções ou não, qual ângulo sobre o horizonte e qual o factor de ganho. Além disso, frequentemente será ela que eliminará interferências provenientes de alguma direcção 42 conhecida, além de evitar uma série de outros inconvenientes. Por todos esses motivos é que se impõe um cuidadoso estudo para a escolha correcta da antena, para obter, em cada caso particular, a melhor recepção possível. A figura 35, representa a estrutura de uma antena vertical. Figura 30 Antena vertical Fonte: I. Feca, 2020 Para um perfeito funcionamento dos módulos de RF 433 MHz, é necessário a instalação das antenas tanto no transmissor quanto no receptor. Sabendo-se que a frequência da portadora é de 433MHz e a velocidade da onda electromagnética no espaço é de 3 x 108 m/s, o comprimento de onda é dada pela fórmula fundamental da ondulatória: 𝜆 = 𝑐/𝑓 Desta feita tem-se que: 𝜆 = 300.000.000 / 433.000.000 = 0,69 𝑚 Por norma, usa-se uma antena com 1/4 do comprimento de onda: 𝑙 = 0,69 𝑚 / 4 = 17,28 𝑐𝑚 Onde l é o comprimento do fio de cobre que foi utilizado para enrolamento da antena. Portanto, Para o desenvolvimento da proposta será soldado fio rígido de aproximadamente 17,3 cm nos locais indicados na foto dos módulos tal como é apresentado na figura 25. Uma antena para o transmissor e outra para o receptor, ambas com o mesmo tamanho. No capitulo subsequente é explicado com o máximo detalhe o processo de construção da antena que foi utilizado para o funcionamento regular do sistema. A figura 36 apresenta o resultado final do processo de construção da antena. 43 Figura 31 Fio de cobre enrolado em forma de espira – Antena Fonte: Autoria própria 2.2.5. LEDs LED, que significa Light Emission Diode (Díodo Emissor de Luz). Um díodo é um dispositivo que permite o fluxo de corrente em apenas uma direcção; é como uma válvula em um sistema de distribuição de água, mas nesse caso ele permite o fluxo da corrente elétrica em uma direcção. Caso a corrente tente reverter e retornar na direcção oposta, o díodo impede que ela o faça. Díodos podem ser úteis para prevenir que alguém conecte acidentalmente a alimentação e a terra aos terminais errados em um circuito, danificando os componentes. Um LED é a mesma coisa, mas ele também emite luz. LEDs vêm de todos os tipos de cores e níveis de luminosidade, incluindo a parte ultravioleta e infravermelha do espectro. Os terminais têm comprimentos diferentes, e um lado do LED é chanfrado, em vez de cilíndrico (ver a figura 37). Essas são pistas que indicam qual terminal é o ânodo (positivo) e qual é o cátodo (negativo): o terminalmais comprido (ânodo) é conectado à alimentação de energia positiva (3,3 V) e o terminal com o lado chanfrado (cátodo) vai para a terminal terra. 44 Figura 32 Componentes de um LED Fonte: M. McRoberts, arduíno básico, NOCATEC, 2011. Geralmente, os LEDs são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização ou lâmpadas pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses painéis, é comum o uso de suportes plásticos com rosca. Como o díodo, o LED não pode receber tensão directamente entre seus terminais, uma vez que a corrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada. Assim, o uso de um resistor limitador em série com o LED é comum nos circuitos que o utilizam. Para calcular o valor do resistor, usa-se a seguinte fórmula: 𝑅 = (𝑉𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 − 𝑉𝐿𝐸𝐷)/𝐼𝐿𝐸𝐷, Onde: Vfonte é a tensão disponível; VLED é a tensão correta para o LED em questão; e ILED é a corrente que ele pode suportar com segurança. Tipicamente, os LEDs grandes (de aproximadamente 5 mm de diâmetro, quando redondos) trabalham com correntes da ordem de 12 a 30 mA; e os pequenos (com aproximadamente 3 mm de diâmetro), operam com a metade desse valor. 2.3. Desenvolvimento e montagem do sistema proposto Na presente sessão fez-se uma abordagem do processo de desenvolvimento do protótipo, nas suas diferentes etapas, software, e finalmente é apresentado o esquema final do protótipo com a sua respectiva maquete. 2.3.1. Software utilizado no protótipo Para simulação do circuito do sistema de semáforo foi utilizado o software de simulação de circuitos eléctrico/electrónicos Proteus. 45 2.3.1.1. Proteus O Proteus Design Suíte é um aplicativo do Windows para captura esquemática, simulação, e design de layout de PCBs. Pode ser comprado em muitas configurações, dependendo do tamanho dos projectos que estão sendo produzidos e dos requisitos para a simulação do microcontrolador. Todos os produtos de projecto de PCB incluem um auto- roteador e capacidades básicas de simulação SPICE em modo misto. Proteus foi projectado para ser uma solução completar para todas as necessidades relacionadas à simulação de circuitos elétricos. Este software é muito versátil, permitindo aos usuários projectar, testar e solucionar problemas de seus circuitos com eficiência, como mostra a figura 38. O componente de design do Proteus é robusto o suficiente para permitir aos usuários conceituar e manifestar um circuito conceitual em um formato digital fácil de entender. Além disso, a capacidade do software de simular essas criações digitais e testar sua eficácia sob diversas condições o torna uma ferramenta indispensável para quem trabalha com circuitos elétricos. Figura 33 Proteus - Interface de desenvolvimento Fonte: Autoria própria. Proteus é um software de simulação e design de circuitos electrónicos, amplamente utilizado por engenheiros e técnicos em electrónica para projectar, testar e simular circuitos antes de construí-los fisicamente. Tendo em conta a sua versatilidade o Proteus apresenta as seguintes funcionalidades: § Simulação de circuitos: Permite a simulação de circuitos analógicos e digitais, facilitando a análise do comportamento do circuito em diferentes condições. § Design de PCB (Placa de Circuito Impresso): Possui ferramentas para o design 46 de PCBs, permitindo aos usuários criar layouts detalhados e verificar possíveis erros antes da fabricação. § Bibliotecas de componentes: Vem com uma extensa biblioteca de componentes electrónicos, incluindo resistores, capacitores, transístores, circuitos integrados, microcontroladores e muito mais. § Simulação de microcontroladores: Suporta a simulação de microcontroladores como PIC (Peripheral Interface Controller), AVR, Arduíno, entre outros. Os usuários podem carregar códigos para esses microcontroladores e testar seu funcionamento no ambiente de simulação. § Visualização 3D: Oferece uma visualização 3D do PCB projectado, permitindo verificar a disposição dos componentes e o design geral da placa. § Depuração: Ferramentas de depuração ajudam a identificar e corrigir problemas nos circuitos simulados, permitindo uma análise detalhada do funcionamento interno dos componentes. § Integração com outras ferramentas: Pode ser integrado com outras ferramentas de design e simulação, facilitando o fluxo de trabalho para projectos mais complexos. 2.3.2. Construção do protótipo O protótipo foi desenvolvido em duas etapas diferentes: § Etapa mecânica: se refere à fase do desenvolvimento em que foram elaborados e detalhados os aspectos técnicos e construtivos relacionados à mecânica. Isso pode incluir a criação de desenhos técnicos, a especificação de componentes mecânicos, especificamente, a criação da maquete onde foi instalado o semáforo. Está fase também envolveu a selecção de máquinas e ferramentas que foram utilizadas para a execução da maquete. § Etapa eléctrica/electrónica: Se refere à fase de desenvolvimento onde são elaborados e detalhados os aspectos relacionados ao sistema eléctrico/electrónico. Esta etapa envolveu a criação de um diagrama/esquema que mostra como os componentes se conectam. 2.3.2.1. Etapa mecânica Para a concretização do prótotipo, foi construída uma maquete sobre uma base sólida e plana constituída por um cruzamento de duas vias. A construção da maquete 47 cumpriu com as fases de planificação, execução do desenho e execução construtiva da maquete. a) Planificação: Nesta fase, idealizou-se a estrutura e constituição da maquete, estabelecendo que esta teria uma via cruzada de duplo sentido e passeios. As vias que seriam pintadas com tinta de cor preta, e as linhas que separam o sentido das vias seriam pintadas com tinta de cor de branca. b) Execução do desenho: O desenho do projecto foi realizado manualmente em uma folha A4 no formato 2D, utilizando um lápis HB2, uma régua de 60 cm, um transferidor, um compasso e uma borracha. A figura 39 (a esquerda) ilustra o resultado final do desenho e (a direita) as ferramentas e instrumentos utilizados para sua confecção, proporcionando uma visão detalhada do processo de criação do projecto. Figura 34 Desenho da maquete do projecto c) Execução construtiva da maquete: A maquete foi construída como parte do projecto da proposta de um sistema de semáforos. Tem como objectivo ilustrar um dos cruzamentos da cidade de Menongue, onde se podem encontrar os sistemas de semáforos, como se viu na figura 40. Para a construção da maquete, foram efectivadas medições e cortes da base e do cartão, conforme todas as medidas, e foram usados para fazer a segunda base da maquete, passeio, edifícios, lancis e faixas das vias, como se pode ver na figura 41. Fonte: Autoria própria. 48 Figura 41 Materiais e ferramentas utilizadas na construção da maquete Fonte: Autoria própria Em seguida, foi recortado o papel de cartolina em todas as medidas para os acabamentos das vias, passadeiras, linhas contínuas e linhas descontínuas, e o pavimento dos passeios, foram utilizadas árvores plásticas com efeitos para os jardins com ajuda da cola rápida, como pode ser observado na figura 42. Figura 42 Acabamento da maquete Para a estruturação do semáforo, foram utilizados, tubos metálicos de 10 cm de altura, tubo PVC e cartão combate, pedaços de papel plástico transparente e caixa de derivação. Foram efectivadas o dimensionamento do tubo PVC. Desta feita foram submetidas a uma temperatura os tubos PVCs de modo a torna-los flexíveis para a estruturação da caixa porto-foco. A figura 43 ilustra os materiais/ferramentas empregadas na estruturação do semáforo. Fonte: Autoria própria. 49 Figura 43 Materiais e ferramentas utlizadas para no semáforo Fonte:Autoria própria Os tubos metálicos (suporte vertical) foram fixados sobre a tampa das caixas de derivação, os tubos PVC foram cortados e moldados, tal como foi ilustrado na figura 43. A figura 44 mostra o acabamento da estrutura do semáforo. Figura 44 Estruturação do semáforo 2.3.2.2. Etapa electrónica Foram empregados diversos componentes electrónicos para a construção do sistema como, LEDs redondos de 5 mm encapsulados nas cores vermelha, verde e laranja e outros componentes descritos na sessão 2.2. Construíram-se dois semáforos, soldou-se nas placas PCB, como pode se ver na figura 45. Figura 45: LEDs soldados na placa PCB Figura 45: LEDs soldados na placa PCB Fonte: Autoria própria 50 Figura 45 LEDs soldados na placa PCB Para a protecção dos LEDs, foram utilizados quatros resistores de 110Ω conectados em paralelo. Foram utilizados também quatro transístores para controlar a corrente, alternar os LEDs e sincronizar suas cores. Em seguida foram colocadas na caixa porta-foco de modo a dar estrutura ao semáforo como se pode ver na figura 46. Figura 46 Acabamento da parte electrónica do semáforo Fonte: Autoria própria Após esses procedimentos, foram construídos o transmissor e o receptor do sistema com o auxílio dos módulos RF de 433 MHz, cujas características e funcionalidades já foram descritas na seção 2.2. O pino de dados do módulo RF de 433 MHz foi conectado ao pino 17 do CI HT12E, e os demais pinos foram conectados à fonte de alimentação do sistema (Vcc e GND). O HT12E possui 18 pinos, dos quais apenas alguns foram utilizados para o Fonte: Autoria própria 51 funcionamento correto do circuito. Esses pinos são: pino 1 (A0), pino 2 (A1), e pino 9 (Vss), que foram conectados ao GND, e o pino 18 ao Vcc. O pino 16 e o pino 15 foram conectados a um resistor de 1MΩ, o pino 14 foi conectado à terra (GND) e o pino 18 é o pino de saída do sinal. Deste jeito construi-se o transmissor de RF do sistema de semáforo para alerta de veículo emergentes, como ilustra a figura 47. Figura 47 Transmissor RF de 433 MHz Fonte: Autoria própria Para a construção do receptor os dois pinos que perfazem os pinos de dados foram curto-circuitados e ambos conectados ao pino 14 do HT12D, o Vcc e o GND estão conectados a fonte ao contrário do transmissor, no receptor o pino 18 é o pino de alimentação do HT12D e os pinos 1-A0,2-A1 e 9 Vss estão ligados ao GND. A figura 48 apresenta o resultado final do receptor RF do sistema de semáforo. Figura 48 Receptor RF de 433 MHz Fonte: Autoria própria 52 Para ilustrar as conexões eléctricas do prototipo utilizou-se o software de simulação, proteus como pode ser observado na figura 50 o circuito do semáforo e na figura 51 circuitos do transmissor e receptor RF de 433 MHz. Figura 49 Esquema funcional do sistema de semáforo Fonte: Autoria Própria Figura 50 Esquema funcional do transmissor e receptor Fonte: Autoria própria 2.4. Funcionamento do sistema de semáforo para alerta de veículos prioritários O transmissor é composto por um módulo RF433MHz Tx e um HT12E onde O módulo transmissor (Tx) envia informações sobre a detecção de veículos para o módulo receptor (Rx) através da frequência de 433MHz e o módulo HT12E codifica esses dados em sinais digitais para transmissão. Para o receptor que é composto por um modulo RF 433MHz e um HT12D, onde o módulo HT12D decodifica os sinais recebidos pelo módulo Rx. Com base nos dados decodificados, o controlador do semáforo determina se há veículos com prioridade se aproximando ou não. Se veículos com prioridade forem detectados, o semáforo 53 é ajustado para permitir sua passagem (sinal vermelho). Caso contrário, o semáforo segue seu ciclo normal. A figura ilustra o sistema de semáforo para alerta de veículos prioritário concluído com a sua respectiva maquete plenamente funcional. Figura 51 Acabamento da maquete do sistema de semáforo para alerta de veículos prioritários Fonte: Autoria própria 54 Conclusões Tendo em conta o desenvolvimento do presente trabalho com base no seu objectivo de estudo, objectivo gera com as suas respectivas tarefas de investigação conclui-se: § Foi possível analisar a evolução histórica e os conceitos fundamentais sobre semáforos e a sua utilização, isso foi importante porque compreender a base teórica é essencial para qualquer projecto prático; § Conclui-se também que foi possível caracterizar a cidade do Sumbe e descrever o sistema proposto bem como os principais hardwares para a construção do protótipo, essa caracterização é relevante, pois nos levou a contextualizar o cenário em que o protótipo será implementado; § Por fim constata-se que foi elaborado o respectivo protótipo em uma maquete e testar a sua funcionalidade, demonstrando assim a aplicação pratica dos conceitos teóricos e a viabilidade do sistema proposto. 55 Recomendações Com base no trabalho realizado tendo em conta os resultados esperados e as possibilidades de aprimoramento e implementação, tornam-se convenientes as seguintes recomendações: § Que em caso de implementação seja feito um estudo detalhado sobre os módulos RF 433Mhz para uma melhor comunicação entre os sistemas semafóricos com os veículos. § Que se adicione sinais sonoros (buzinas) e visuais (luzes piscantes) para alertar os motoristas sobre a mudança de sinal para garantir que os condutores estejam cientes das alterações, especialmente em condições de visibilidade reduzida. § Que se realizar campanhas de conscientização para informar aos motoristas sobre o novo sistema, explicar como funciona e os benefícios para a segurança viária. § Que possa ser adicionado ao protótipo uma fonte de alimentação alternativa constituída por um banco de baterias para que o sistema não seja totalmente dependente da rede eléctrica pública § Que os semáforos possam ser instalados a uma distância segura da intersecção ou passagem de peões (pelo menos 25 metros) para evitar confusão aos condutores. § Que os semáforos possam ser repetidos por cima da faixa de rodagem, especialmente quando existirem várias vias de trânsito em cada sentido. 56 Referências bibliográficas Engenhariacivil.com, “Engenhariacivil.com,” [Online]. 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Asadi, Proteus PCB Design and Simulation, 2014. 62 Anexos Anexo I- Inquérito por questinário dirigido a população da cidade do Sumbe – Cuanza Sul INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO DE PORTO AMBOIM (Aprovado por Decreto Presidencial Nº. 168/2012, Diário da República Nº 141-1ª Série, de 24 de Julho) INQUÉRITO POR QUESTIONÁRIO TEMÁTICA: PROPOSTA DE UM SISTEMA DE SEMÁFOROS PARA ALERTA DE APROXIMAÇÃO DE VEÍCULOS COM PRIORIDADE PARA CIDADE DO SUMBE A fim de recolher informações (dados) a serem utilizados em um Trabalho de Investigação de Fim de Curso no domínio de “proposta de um sistema de semáforos para alerta de aproximação de veículos com prioridade para cidade do Sumbena área académica de Engenharia Electrónica, a se efectuar no Instituto Superior Politécnico de Porto Amboim, vimos, por intermédio deste inquérito por questionário, colher tais dados segundo o conhecimento que o inquerido detém. Os dados fornecidos são absolutamente confidenciais e anónimos e serão exclusivamente utilizados para fins de investigação científica. Pede-se, assim, a máxima colaboração no seu preenchimento. Agradece-se desde já pela contribuição! 63 Questionário: 1. Você acredita que um novo sistema de semáforos pode melhorar a fluidez do tráfego? a) Sim( ) b) Não ( ) c) Talvez( ) 2. Você já observou veículos prioritários (como ambulâncias ou carros de polícia) passando pelos semáforos? a) Sim ( ) b) Não ( ) c) Talvez( ) 3. Você acha que os pedestres também se beneficiaram das mudanças dos antigos sistemas de semáforos? a) Sim ( ) b) Não ( ) c) Talvez ( ) 4. Você já testemunhou algum acidente ou incidente relacionado ao tráfego nos cruzamentos da cidade? a) Sim ( ) b) Não ( ) c) Talvez ( ) 5. Você acredita que o sistema de semáforos actual é eficiente em termos de tempo de espera? a) Sim ( ) b) Não ( ) c) Talvez ( ) 6. Você sente que o tempo de espera nos semáforos diminuirá com a implementação desse novo sistema? a) Sim ( ) 64 b) Não ( ) c) Talvez ( ) 65 Anexo II – Orçamento da proposta A tabela 6 do anexo II mostra os principais componentes electrónicos utilizados na construção do protótipo. Tabela 6 Orçamento do protótipo. Dispositivos Referência Unidade Preço (Kz) Encoder HT12D 2 15.000,00 Decoder HT12E 2 15.000,00 Resistor Fixos 50 5.000,00 Díodo 1N4148 50 15.000,00 Transistor C1815 30 7.500,00 Led 5mm, vermelho, verde e laranja 150 20.000,00 Placa impressa 9mm x 6mm, 6mm x 4mm 16mm x 9mm 6 15.000,00 Capacitores Electrolítico 5 5.500,00 Relé 5 Vdc 1 5.000,00 Circuito integrado 555 e 4017 3 e 2 12.500,00 Botão Push Down 1 500,00 Potenciómetro 50k 1 1.000,00 Cabo UTP Cat 6 1m 3000,00 Caixa de derivação 200mm x 155mm x 80mm 1 4.500,00 Total 125.000,00 Fonte: Autoria própria 66 Anexo III– Materiais utilizados para a construção da maquete A tabela 6 do anexo III mostra os principais materiais utilizada para a confecção da maquete. Tabela 7 Orçamento da maquete. Material Unidade Preço (Kz) Cartão combate 2m2 4.000,00 Contraplacado 1m2 6.000,00 Spray 1 2.500,00 Tubo PVC 10cm 1.000,00 Árvore plástica 2 3.000,00 Cola de papel 1 2.500,00 Flores de plástico 25 5.000,00 Tubo metálico 2 1.000,00 Pistola de cola quente 1 5.000,00 Cartolina 4 3.500,00 Total 35.500,00 Fonte: Autoria própria 67 Anexo v – Fases resumidas da montagem do protótipo Figura 52 Todas as etapas e fases da execução do protótipo e da maquete. F Fonte: Autoria própria.............................................................................................. 7 Figura 4: Evolução dos semáforos ......................................................................................... 8 Figura 5: Grupo focal composto por três cores ...................................................................... 9 Figura 6: Grupos focais de duas indicações luminosas ......................................................... 9 Figura 7: Grupos semafórico de direcção controlada ............................................................ 9 Figura 8: Semáforo de controlo ou de faixa reversível ........................................................ 10 Figura 9:Semáforo para pedestres ........................................................................................ 10 Figura 10: Luzes/cores que compõem a sinalização de advertência ................................... 12 Figura 11: Elementos de um semáforos ............................................................................... 14 Figura 12: Elementos com compõem o foco semafórico .................................................... 15 Figura 13:Anteparo sem orla ............................................................................................... 16 Figura 14: Anteparo com orla .............................................................................................. 16 Figura 15: Suporte de coluna e suporte de braço ................................................................. 17 Figura 16: Suporte pórtico e suporte cordoalha ................................................................... 17 Figura 17: Controlador semafórico ...................................................................................... 18 Figura 18: Movimentos conflitantes em um cruzamento .................................................... 21 Figura 19: Intercessão congestionadas ................................................................................ 21 Figura 20: Rede semafórica de 4 vias .................................................................................. 22 Figura 21: Localização geográfica do Sumbe ...................................................................... 23 Figura 22: Principais pontos de intercessão da cidade do Sumbe ....................................... 24 Figura 23: Módulos RF 433MHz ........................................................................................ 29 Figura 24: Design do módulo Tx RF 433MHz .................................................................... 30 Figura 25: Design do módulo Rx RF 433MHz ................................................................... 31 Figura 26: Descrição dos pinos do módulos RF 433MHz ................................................... 31 Figura 27: Modulação de amplitude .................................................................................... 33 Figura 28: Codificador (circuito integrado HT 12E) ........................................................... 34 Figura 29:Decodificador (circuito integrado HT12D) ......................................................... 35 Figura 30: Diagrama de blocos do circuito integrado 4017 ................................................. 36 Figura 31: Invólucro e pinagem da versão DIL ................................................................... 36 Figura 32:Diagrama de tempos do 4017 .............................................................................. 37 II Figura 33: Disposição e identificação dos pinos do 555 ..................................................... 38 Figura 34: Temporizador 555 conectado como monoestável .............................................. 39 Figura 35: Temporizador 555 conectado como astável ....................................................... 40 Figura 36: Composição de onda electromagnética .............................................................. 41 Figura 37: Antena vertical ................................................................................................... 42 Figura 38: Fio de cobre enrolado em forma de espira – Antena .......................................... 43 Figura 39: Componentes de um LED .................................................................................. 44 Figura 40: Proteus - Interface de desenvolvimento ............................................................. 45 Figura 41: Desenho da maquete do projecto ....................................................................... 47 Figura 42: Materiais e ferramentas utilizadas na construção da maquete ........................... 48 Figura 43: Acabamento da maquete .................................................................................... 48 Figura 44: Materiais e ferramentas utlizadas no semáforo .................................................. 49 Figura 45: Estruturação do semáforo ................................................................................... 49 Figura 46: LEDs soldados na placa PCB ............................................................................. 49 Figura 47: Acabamento da parte electrónica do semáforo .................................................. 50 Figura 48: Transmissor RF de 433 MHz ............................................................................. 51 Figura 49: Receptor RF de 433 MHz .................................................................................. 51 Figura 50: Esquema funcional do sistema de semáforo ...................................................... 52 Figura 51: Esquema funcional do transmissor e receptor .................................................... 52 Figura 52: Todas as etapas e fases da execução do protótipo e da maquete........................67 III Lista de tabelas Pág. Tabela 1: Respostas das questões do inquérito por questionário ......................................... 27 Tabela 2: Especificações técnicas do transmissor ............................................................... 29 Tabela 3: Especificações técnicas do receptor ..................................................................... 30 Tabela 4: Pinagem do módulo RF 4333MHz (Tx e Rx) ....................................................... 32 Tabela 5: Especificações técnicas do HT12E e HT12E ...................................................... 35 IV Lista de abreviaturas, siglas e símbolos s - Condutividade do meio r - Densidade de carga eléctrica w - Frequência angular µ - Permeabilidade magnética do meio e - Permissividade eléctrica do meio µA – Microamperé µF – Microfarad AM – Amplitude Modulation ASK – Amplitude Shift Keying ATM - Automated Teller Machine BNA - Banco Nacional de Angola c – Velocidade da luz C – Capacitância CI – Circuito integrado cm – Centímetro CMOS – Complementary metal-oxide semiconductor dB – Decibell DIL- Dual interface line E – Campo eléctrico; EN – Estrada nacional F - Farad f - Frequência FET – Field effect transistor FSK – Frequency shift keying g – Grama GND – Ground GPS – Global system position H – Campo magnético; HT12D – Circuito integrado decodificador de 12 bits HT12E – Circuito integrado codificador de 12 bits I – Intensidade da corrente eléctrica INE – Instituto Nacional de Estatística V J – Densidade da corrente eléctrica; JM – Corrente magnética fictícia; kb/s – Kilo bits por segundo km – Quilomêtro l – Comprimento LED – Ligth Emitting Diode m – Metro mA – Miliamperé MHz – Mega hertz mm – Milímetro mW – Miliwatts On/Off – Ligado/desligado PCB – Printed Circuit Board R – Resistência eléctrica RF- Radiofrequência Rx – Receptor SSID –Service Set Indetefier TLL – Time to live tw - Tempo Tx – Transmissor V – Tensão eléctrica Vcc – Tensão em corrente continua Wi-Fi – Wireless Fidelity 𝜆 – Lambda PLL-Phase-locked loop Vdc- Tensão de alimentação CONT-Entrada de controlo Vfonte- Tensão disponivel Vled-Tensão do led Iled-Corrente do Ied 3D-Terceira dimensão PIC-Peripheral interface controller 2D-Segunda dimensão VI A4-Configuração padrão da folha de papel HB2-Modelo de lápis específico para desenho PVC-Policloreto de vinilo VII Resumo A crescente urbanização e o aumento do tráfego veicular na cidade têm gerado desafios significativos para a mobilidade urbana, especialmente para os veículos de emergência que necessitam de rápida deslocação. Este trabalho apresenta a proposta de um sistema de semáforos destinado a alertar sobre a aproximação de veículos com prioridade, na cidade do Sumbe O presente sistema tende a contribuir para minimização dos acidentes envolvendo peões, veículos normais e principalmente, veículos com prioridades tal como, ambulância, bombeiros, veículos patrulheiros e entre outros. O mesmo sistema foi desenvolvido a base de dois módulos RF 433MHz que terão o papel de transmitir e receber o sinal via rádio, CIs HT12E e HT12D estes farão a conversão dos sinais de rádio em sequências de bits, o ci 555 desempenha o papel de gerar pulso para habilitar e desabilitar o semáforo. Também foi utilizado o ci 4017 como um sequenciador em conjunto com o ci 555 formaram o semáforo. Também foram acopladas ao sistema duas antenas, que terão a função de converter o sinal eléctrico em electromagnético no transmissor e executar o processo inverso no receptor. Foram utilizados LED’s, especificamente de cor vermelha, verde e laranja. Onde o LED de cor vermelha sinaliza paragem obrigatória para os automobilistas, cor verde sinaliza a passagem para os automobilistas e o LED de cor laranja simboliza aviso de paragem obrigatório. Para a concretização da pesquisa foi aplicada métodos de carácter teóricos e empíricos, tais como, histórico-lógico, análise-síntese, análise documental, indução-dedução, observação encoberta, inquérito por questionário e por último e não menos importante o método de modelação. Palavras-Chave: Circuito integrado; módulo RF; semáforo; sinalização; veículos. VIII Abstract Increasing urbanization and increased vehicular traffic in the city have created significant challenges for urban mobility, especially for emergency vehicles that need to travel quickly. This paper presents the proposal of a traffic light system aimed at alerting about the approach of vehicles with priority in the city of Sumbe. This system tends to contribute to the minimization of accidents involving pedestrians, normal vehicles and especially vehicles with priorities such as ambulances, firefighters, patrol vehicles, and among others. The same system was developed on the basis of two 433MHz RF modules that will have the role of transmitting and receiving the signal via radio, ICs HT12E and HT12D these will convert the radio signals into sequences of Bits, 555 which plays the role of generating pulse. The 4017 was also used as a sequencer in conjunction with the 555 formed the traffic light. Two antennas were also attached to the system, which will have the function of converting the electrical signal into electromagnetic in the transmitter and performing the reverse process in the receiver. LED's were used, specifically red, green and orange. Where the red LED signals mandatory stopping for motorists, green signals the passage for motorists and the orange LED symbolizes mandatory stop warning. Theoretical and empirical methods were applied to carry out the research, such as historical-logical, analysis-synthesis, document analysis, induction-deduction, covert observation, questionnaire survey and last but not least the modeling method Keywords: Integrate Circuit, module RF, semaphore, Light, vehicle.. 1 Introdução A Engenharia Electrónica e Telecomunicações é uma subárea da Engenharia eléctrica, que lida com grandezas eléctricas de pequenas amplitudes e elevadas frequências. Com auxílio da Engenharia de Tráfego que é o ramo da Engenharia Civil dedicado à determinação, análise, planeamento e optimização dos fluxos de tráfego, assegurando a circulação eficiente de pessoas, bens e veículos. A Engenharia de Tráfego encontra-se intimamente ligada às áreas de vias de Comunicação, urbanismo e transportes. O Engenheiro de Tráfego dedica-se à análise do tráfego e à previsão da forma como esse tráfego vai evoluir, através da construção de modelos de tráfego, para prever medidas que permitam optimizar a circulação em vias e intersecções viárias. No geral, essa é uma área que traz todo um estudo técnico que identifica as diferentes necessidades que uma via necessita. O objectivo maior é que o tráfego de veículos, juntamente com pedestres, aconteça de forma segura, acessível e optimizada, evitando ruas congestionadas e, com isso, mais motoristas e passageiros presos no trânsito por mais tempo. Nos últimos anos, a cidade do Sumbe testemunhou um aumento significativo na densidade populacional e no tráfego, desafiando a eficácia das infraestruturas urbanas existentes. Em resposta a essa demanda crescente, a implementação de soluções inovadoras torna-se imperativa para garantir a segurança e a fluidez do trânsito. Uma abordagem visionária para enfrentar esse desafio pode ser a introdução de um sistema de semáforo inteligente. Essa tecnologia avançada promete revolucionar a coordenação do tráfego, adaptando-se dinamicamente às necessidades da cidade. Em particular, o sistema pode ser projectado para conceder prioridade a veículos de emergência, como ambulâncias, bombeiros e polícia, assegurando que esses serviços cruciais cheguem rapidamente aos locais de ocorrência. Os semáforos inteligentes são capazes de detectar a presença de veículos de emergência em tempo real, utilizando sistemas de comunicação avançados. Quando um veículo de emergência é detectado, o semáforo pode automaticamente ajustar os tempos de ciclo, concedendo prioridade ao veículo para passar de forma segura e rápida pelos cruzamentos. Isso não apenas reduz o tempo de resposta dos serviços de emergência, mas também melhora a segurança nas estradas. 2 Situação problemática Com base no método de observação e inquérito por questionário dirigido aos moradores da cidade do Sumbe foram identificadas deficiências significativas nas rodovias da cidade do Sumbe: § Ausência de um sistema funcional de semáforos para o controlo efectivo do tráfego de veículos e pedestre. § Falta de um sistema de semáforos inteligentes que possam alertar sobre a aproximação de veículos com prioridade. Estas são as insuficiências que apontam para a necessidade de melhorias urgentes na infraestrutura viária da cidade, visando aprimorar a segurança e a eficiência do sistema de trânsito local. Formulação do problema Como contribuir para detectar a aproximação de veículos de emergências e serviços prioritários na cidade do Sumbe? Objecto de investigação Processo de sinalização de rodoviária. Campo de acção Sistema de semáforo para alerta de aproximação de veículos prioritários na cidade do Sumbe. Objectivo geral Desenvolver um sistema de semáforo inteligente que detecta a aproximação de veículos de emergência e serviços prioritários para a Cidade do Sumbe Objectivos específicos 1. Apresentar um referencial teórico sobre sistemas de semáforos; 2. Descrever a estruturação e funcionamento do sistema de semáforo proposto tendo em conta as diferentes etapas e os recursos materiais disponíveis no mercado interno; 3. Construir o respectivo protótipo em uma maquete; 3 Metodologia Para elaboração da pesquisaforam utilizados os seguintes métodos: a) Métedos teóricos: § Histórico lógico: Permitiu a revisão de livros, fontes bibliográficas, reunindo assim evidências de eventos que aconteceram no passado, e então formular ideias sobre a investigação em causa. § Análise-síntese: Este método foi utilizado em todos os capítulos do trabalho. Com ele foi possível analisar e sintetizar todas as informações contidas no trabalho. § Análise documental: Este método foi utilizado na avaliação, verificação e reunião das bibliografias e construção do marco teórico. § Indução-dedução: Este método foi utilizado para a elaboração de conclusões gerais do trabalho e permitu também desenvolver teorias sobre o sistema de semáforo para alerta de veículos prioritários. b) Métodos empíricos § Observação participativa encoberta: Este método foi utilizado para constatar o estado actual das infraestruturas do sistema de semáforos na cidade do Sumbe. § Inquérito por questionário elaborado: Este método foi utilizado para recolher informações relacionada ao procedimento utilizado para controlar o tráfego de veículos com prioridade na cidade do Sumbe. § Análise-matemática: Este método foi utilizado para analisar e interpretar dados quantitativos do inquérito por questionário. § Simulação: Este método permitu simular por meio do software proteus o sistema de semáforos para alerta de veículos prioritários. § Comparativo: Este método permitiu descrever e comparar o sistema de semáforos instalado na cidade do Sumbe com o sistema de semáforo para alerta de veiculos prioritário proposto. c) Método de modelagem: Este método permitiu modelar o protótipo numa maquete. 4 Contribuições A cidade do Sumbe enfrenta desafios relacionados ao tráfego de veículos, especialmente no que diz respeito à prioridade de passagem para veículos de emergência e outros serviços essenciais. O desenvolvimento e implementação deste sistema de semáforo inteligente representam um avanço significativo para a cidade do Sumbe, contribuindo para uma mobilidade urbana mais eficiente, segura e responsivo às emergências. O sistema proposto para além de optimizar o fluxo de veículos nas vias, reduzirá também os congestionamentos e o tempo de deslocamento, o mesmo sistema também irá melhorar a mobilidade dos pedestres. O presente tema busca não apenas melhorar o fluxo de tráfego, mas também salvar- vidas e proporcionar uma experiência de cidade mais segura e conectada. Estrutura do trabalho Capítulo 1: Fundamentação teórica sobre sistema de semáforos Neste capítulo, vai se fazer uma abordagem referente à fundamentação teórica e metodológica que sustentam a investigação, dando ênfase nos antecedentes e situação actual da temática. Capítulo 2: Caracterização e descrição do sistema de semáforos proposto Nesta secção, aborda-se aspectos ligados ao processo técnico e construtivo do sistema de semáforo para a aproximação de veículos com prioridade. Serão caracterizadas as principais tecnologias para construção do protótipo, montagem da maquete e teste. 5 Capítulo 1: Referencial teórico sobre sistema de semáforos Na presente sessão são apresentados referencial teórico sobre sistema de semáforo, abordando de uma forma específica todos os conceitos necessários para a percepção do capítulo. 1.1. Antecedentes históricos Segundo (G. ALVES, 2018) embora o objectivo de um sinal de trânsito seja regular o fluxo de automóveis, os sinais de trânsito surgiram muito antes de os automóveis serem inventados. Etimologicamente, o termo "semáforo" procede da composição dos termos gregos sêma, atos (sinal) e phorós, ós, ón (que conduz), ou seja, sêma + phorós = sinal de condução. Hoje em dia seria inconcebível viver sem sinais luminosos, definição técnica e legal dos semáforos. Afinal, a sua utilidade é superlativa. É graças à sua utilização que há uma maior segurança rodoviária, há menos acidentes e engarrafamentos e, além disso, os peões (pessoas) podem atravessar a estrada sem qualquer tipo de preocupação. Segundo (A. AGUIAR, 2019) o método de tentativa e erro, usado já desde o tempo da Grécia Clássica, continua a ser um dos principais da ciência moderna. A prova disso está mesmo na forma como surgiram os semáforos. Numa altura em que os carros eram movidos a vapor e circulavam na estrada juntamente com carruagens e cavalos, J.P. Knight, um engenheiro inglês especialista em assuntos rodoviários, propôs uma inovação, construída a 9 de Dezembro de 1868, na junção das ruas Great George Street e Bridge Street, junto à ponte de Westminster, em Londres, Inglaterra. Resumidamente tinha duas cores: verde e vermelho, que indicavam a possibilidade de continuar a circulação com ou sem cautela, respectivamente. As cores eram iluminadas por lâmpadas a gás que, por sua vez, eram controladas por dois polícias. Porém, durante o dia, em vez das cores, o que geria o tráfego, eram dois braços: um na horizontal que indicava a ausência de perigo na progressão da marcha e outro na vertical que manifestava exactamente o oposto. No entanto, esta ideia só teve uma duração de um mês. A 2 de Janeiro, um acidente nessa mesma intersecção provocou a morte de um dos polícias. A inovação teria então um interregno de cerca de 50 anos, mais precisamente até 1920. Nesse período, a ideia manteve-se unicamente nas ferrovias e na Alemanha, onde se criou um outro sistema luminoso: uma torre construída no meio da estrada, na mesma com o verde e o vermelho a alterar através da intervenção manual, tal como pode se ver na figura 1. 6 Figura 1 Primeiro semáforo Fonte: https://historiacomfotos.blogspot.com/2016/03/o-semaforo-e-sua-origem.html. 1.1.1. Semáforo eléctrico No início dos anos 1900, o mundo estava se desenvolvendo em um ritmo muito rápido e, com o crescimento da industrialização, as cidades ficaram mais cheias. Além disso, com a invenção dos automóveis, o tráfego nas estradas aumentou significativamente, por isso houve a necessidade de um melhor sistema de tráfego. Em 1912, um policial americano, Lester Wire, preocupado com o aumento do tráfego, teve a ideia do primeiro semáforo eléctrico. Com base no design de Wire, as luzes foram instaladas pela primeira vez em Cleveland, Ohio, em 5 de agosto de 1914, na esquina da 105 com a Euclid Avenue. Na figura 2, pode ser observado o modelo do primeiro semáforo eléctrico. Figura 2 Primeiro semáforo elétrico Fonte: https://historiacomfotos.blogspot.com/2016/03/o-semaforo-e-sua-origem.html. 7 Segundo (D.M.FAMA, 2020) o primeiro semáforo eléctrico tinha apenas luzes vermelhas e verdes; não tinha uma luz amarela como os sinais de trânsito modernos. Em vez de uma luz amarela, tinha um som de campainha que era usado para indicar que o sinal estaria mudando em breve, mas nem sempre os condutores se apercebiam do som emitido e acabavam por ter acidentes mesmo assim. Alguns anos mais tarde foi adicionado aos sinais de trânsito à cor amarela, na cidade de Detroit, Estados Unidos. Esse tipo de semáforo foi construído por William Potts, que era policial na cidade de Detroit. É importante salientar que, Garrett Morgan, um afro-americano (nascido em Kentucky, EUA, em 4 de Março de 1877), inventou o sistema automático de sinais de trânsito em 1923, e depois vendeu os direitos à corporação GE (General Electric). 1.1.2. Semáforo inteligente Os semáforos inteligentes foram desenvolvidos visando a locomoção urbana mais eficiente. A nova tecnologia funciona através de luz solar e baterias, facilitando a utilização caso a energia elétrica seja interrompida. As luzes dos semáforos acendem e apagam conforme o fluxo de veículos, podendo assim, diminuir o congestionamento em grandes cidades. O que um semáforo inteligente tem de diferente é que ele é capaz de se adaptar às condições de trânsito em tempo real.Para isso, há um sistema de sensores que pode incluir câmaras de processamento de imagem e sensores electromagnéticos instalados no asfalto para a recolha de dados, onde a sua demostração pode ser vista na figura 3. Figura 3 Semáforo inteligente Fonte: https://www.onroad.to/teorico/clases-autoescuela/senalizacion/semaforos/semaforos- inteligentes 8 Eles também podem incorporar sistemas mais avançados, como GPS (Global position system), software para registrar o volume de tráfego e até mesmo uma conexão com a Internet para usar dados fornecidos por agências de trânsito locais. O resultado da inteligência é que o semáforo vai se adaptar ao trânsito para abrir ou fechar a via. A figura 4, ilustra a evolução dos semáforos. Figura 4 Evolução dos semáforos Fonte: https://www.fokussinalizacao.com.br/empresa/ 1.1.3. Sinalização semafórica A sinalização semafórica é um subsistema da sinalização viária que se compõe de indicações luminosas accionadas alternada ou intermitente através de sistema eléctrico electrónico, cuja função é controlar deslocamentos. Existem dois (2) grupos: § Sinalização semafórica de regulamentação; § Sinalização semafórica de advertência. Sinalização Semafórica de Regulamentação – tem a função de efectuar o controlo do trânsito numa intersecção ou seção de via, através de indicações luminosas, alternando o direito de passagem dos vários fluxos de veículos e/ou pedestres; No caso de grupo focal de regulamentação, acendimento das indicações luminosas deve ser na sequência verde, amarelo, vermelho, retornando ao verde. Para efeito de segurança recomenda-se o uso de, no mínimo, dois conjuntos de grupos focais por aproximação, ou a utilização de um conjunto de grupo focal composto de dois focos vermelhos, um amarelo e um verde de acordo a figura 5. 9 Figura 5 Grupo focal composto por três cores Fonte: https://setassinalizacao.com.br/sinalizacao-semaforica/ Existem também os grupos focais de duas indicações luminosas, dispostas na sequência preestabelecida abaixo (figura 6) para uso exclusivo em controles de acesso específico, tais como praças de pedágio e balsa, por exemplo. Figura 6 Grupos focais de duas indicações luminosas Fonte: https://setassinalizacao.com.br/sinalizacao-semaforica/ Com símbolos, que podem estar isolados ou integrando um semáforo de três ou duas indicações luminosas. Os símbolos podem indicar o controlo de direcção, faixa reversível e direcção livre, tal como mostra a figura 7. Figura 7 Grupos semafórico de direcção controlada Fonte: https://www.detraneduca.pr.gov.br/sites/educacao- transito/arquivos_restritos/files/documento/2020-08/sinalizacao_semaforica.pdf. 10 A figura 8, apresenta os sinais do grupo semáforico de controlo também conhecido como semáforo de faixa reversível. Figura 8 Semáforo de controlo ou de faixa reversível Fonte: https://www.detraneduca.pr.gov.br/sites/educacao- transito/arquivos_restritos/files/documento/2020-08/sinalizacao_semaforica.pdf. A figura 9, apresenta a sinalização do semáforo para pedestres. Figura 9 Semáforo para pedestres Fonte: https://www.detraneduca.pr.gov.br/sites/educacao- transito/arquivos_restritos/files/documento/2020-08/sinalizacao_semaforica.pdf. Segundo o (Manual brasileiro de sinalização de trânsito, sinalização semafórica, Volume V) cada sinalização é correspondente a um tipo de semáforos empregados na sinalização semafórica de regulamentação. Eles podem ser: § Veicular (excepto de ciclista) - O grupo focal veicular possui três indicações luminosas: vermelha, amarela e verde, dispostas nesta ordem, de cima para baixo quando vertical, e da esquerda para a direita quando horizontal. Pode-se, também, utilizar grupo focal composto de dois focos vermelhos, um amarelo e um verde, dispostos verticalmente, ilustrado na figura 5. 11 § Veicular direccional - O grupo focal veicular direccional possui três indicações luminosas: vermelha com seta, amarela com ou sem seta e verde com seta, disposta nesta ordem, de cima para baixo quando vertical, e da esquerda para a direita quando horizontal. Pode-se, também, utilizar grupo focal composto de dois focos vermelhos com seta, um amarelo com ou sem seta e um verde com seta, dispostos verticalmente. Deve ser utilizado, apenas, nas aproximações em que há períodos de verde distinto para diferentes movimentos. As setas devem ser orientadas ou para cima, ou para a direita ou para a esquerda, ver a figura 6. § Veicular direcção livre – O grupo focal veicular direcção livre é constituído somente pelo foco verde com seta. A seta deve ser orientada ou para cima, ou para a direita ou para a esquerda. § Veicular controle de acesso específico – O grupo focal “veicular controle de acesso específico” possui focos vermelho e verde, dispostos nesta ordem, de cima para baixo quando vertical, e da esquerda para a direita quando horizontal, para uso exclusivo em controlos do tipo praças de pedágios e balsa. § Veicular controle ou faixa reversível – O grupo focal veicular controle ou faixa reversível é formado por um foco vermelho com símbolo “X” e por um foco verde com seta orientada para baixo, dispostos nesta ordem, da esquerda para a direita, na posição horizontal. No caso de semáforos de LED pode ser utilizado um foco único para mostrar as duas indicações, ver a figura 8. § Pedestres – Os grupos focais de pedestres são compostos por focos vermelhos e verde, com os pictogramas respectivos, dispostos nesta ordem, de cima para baixo, na posição vertical, ver a figura 9. § Ciclistas - Os grupos focais de ciclistas são compostos por focos vermelho, amarelo e verde, com os pictogramas respectivos, dispostos nesta ordem, de cima para baixo, na posição vertical. Sinalização semafórica de advertência – tem a função de advertir sobre a existência de obstáculo ou situação perigosa, devendo o condutor reduzir a velocidade e adoptar as medidas de precaução compatíveis com a segurança para seguir adiante. A sinalização por advertência, compõe-se de uma ou duas luzes de cor amarela, cujo funcionamento é intermitente ou piscante alternado, no caso de duas indicações luminosas, tal como mostra a figura 10. 12 Figura 10 Luzes/cores que compõem a sinalização de advertência Fonte: https://setassinalizacao.com.br/sinalizacao-semaforica/ A sinalização semafórica tem por finalidade transmitir aos usuários a informação sobre o direito de passagem em intersecções e/ou seções de via onde o espaço viário é disputado por dois ou mais movimentos conflituantes, ou advertir sobre a presença de situações na via que possam comprometer a segurança dos usuários. 1.2. Conceitos e generalidades Semáforo é um instrumento utilizado para controlar o tráfego de veículos e de pessoas nas grandes cidades em quase todo o mundo. Utiliza uma linguagem simples e por isso de fácil assimilação. É composto geralmente por três círculos de luzes coloridas. O controlo semafórico permite alternar o direito de passagem na zona de conflito de uma intersecção. Semáforos são instrumentos vitais na regulação do tráfego e na garantia da segurança nas vias. O termo “semáforo” refere-se a um sistema de controlo de tráfego que utiliza sinais luminosos para gerenciar o fluxo de veículos e pessoas em intersecções e outros pontos críticos. A eficiência e a segurança proporcionadas por um semáforo são fundamentais para o bom funcionamento do trânsito nas cidades modernas. Semáforo é um sinal de trânsito que funciona como um instrumento de controlo do tráfego de automóveis e pessoas nas estradas. O semáforo serve para auxiliar os motoristas e peões a se locomoverem com cautela nas vias de circulação das cidades. 1.2.1. Classificação de semáforo Os semáforos podem ser classificados de diversas maneiras, incluindo: Função, localização,operação, tipo de sinalização e pela tecnologia. 1. Classificação quanto a função § Semáforos de trânsito: Controlam o fluxo de veículos e pessoas nas vias. 13 § Semáforos de ferroviários: Regulam o tráfego em cruzamentos ferroviários. 2. Classificação quanto a localização § Semáforos de intersecção: Localizados em cruzamentos de vias. § Semáforos de pedestres: Localizados em travessias de pedestres. § Semáforos de tráfego rodoviário: Instalados ao longo de vias para controlar o fluxo de veículos. 3. Classificação quanto a operação § Semáforos fixos: Funcionam de acordo com um cronograma pré-definido. § Semáforos adaptativos: Ajustam seus tempos de sinalização com base no tráfego em tempo real. § Semáforos de pessoas com botão: Permitem que pessoas solicitem a mudança do sinal. 4. Classificação quanto ao tipo de tecnologia § Semáforos convencionais: Operam com lâmpadas incandescentes. § Semáforos LED: Utilizam luzes de díodo emissor de luz, mais eficientes energeticamente. § Semáforos inteligentes: Incorporam tecnologias avançadas, como câmaras e sensores, para optimizar o fluxo de tráfego. 1.2.2. Elementos que compõem o semáforo Segundo (D.M.FAMA, 2020) o semáforo é constituído por uma série de elementos físicos, subdivididos em 4 partes principais, ilustrados na figura 6, e que são: foco semafórico, anteparo, elemento de sustentação (ou suporte) e controlador semafórico. 14 Figura 11 Elementos de um semáforos Fonte: D. M. Fama, sistema automatizado de semáforos sustentado em protótipo controlado por arduíno, 2020. Foco semafórico: Unidade que fornece indicação luminosa, formada pelos seguintes elementos: conjunto óptico, máscara, pestana ou cobre-foco e caixa porta-foco. a) Conjunto óptico: É formado pela lente, fonte de luz e, quando necessário, reflector. § Lente: É o elemento colocado em frente à fonte de luz para proteger os elementos internos do foco contra impactos, sujeira e intempéries e, quando necessário, homogeneizar a distribuição da luz e dirigir o feixe luminoso aos respectivos usuários. Quando utilizada fonte de luz branca, a lente tem a função de definir a cor da indicação luminosa. § Fontes de luz: As fontes de luz geralmente utilizadas são: § Lâmpada incandescente com filamento reforçado; § Lâmpada halogena; § Módulo ou lâmpada de LEDs (Díodos emissores de luz); § Reflector: Elemento destinado a dirigir o fluxo luminoso da fonte de luz. b) Mascara: É o elemento colocado sobre a lente para proporcionar a visualização do símbolo ou pictograma (seta, silhueta boneco andando/parado, mão espalmada, bicicleta e “X”). As máscaras são opcionais quando utilizado um conjunto de LEDs, pois o símbolo ou pictograma pode ser obtido pela disposição dos LEDs no formato desejado. c) Pestana ou cobre-foco: Superfície de forma semicilíndrico ou rectangular, em cor preta fosca ou cinza fosca, acompanhando a cor da caixa porta-focos. Deve ser 15 colocada sobre o foco, com o objectivo de reduzir a incidência da luz solar sobre a lente para melhoria da condição de contraste. A pestana também pode colaborar para reduzir a intervisibilidade de focos dirigidos a correntes de tráfego conflituantes. d) Caixa porta-foco: Elemento onde são fixados os conjuntos ópticos. A figura 12, ilustra a disposição de cada elemento que compõe o foco semafórico, dividida em duas partes (a) e (b). Figura 12 Elementos com compõem o foco semafórico Fonte: D. M. Fama, sistema automatizado de semáforos sustentado em protótipo controlado por arduíno, 2020. Anteparo: Anteparo é um painel que emoldura o grupo focal com o objectivo de melhorar a visibilidade em relação à incidência solar, e/ou destacar a sinalização da paisagem urbana. Em semáforo instalado em suporte projectado sobre a via deve ser utilizado anteparo. Em semáforo instalado em coluna simples o uso do anteparo é opcional. A cor do anteparo deve ser preta fosca. As Figuras 13 e 14 apresentam, respectivamente, anteparos sem orla e com orla interna na cor branca ou amarela, com e sem tarja branca junto à posição do foco amarelo; 16 Figura 13 Anteparo sem orla Fonte: Manual brasileiro de sinalização de transito, sinalização semafórica, vol. volume V. Figura 14 Anteparo com orla Fonte: Manual brasileiro de sinalização de transito, sinalização semafórica, vol. volume V. 1- Elementos de sustentação/suportes: São elementos que têm a função de sustentar os semáforos, como por exemplo: colunas, braços projectados, cordoalhas e pórticos. Esses elementos devem ser na cor cinza ou preta fosca e suas características não devem comprometer a visibilidade do grupo focal. O tipo de elemento de sustentação a ser utilizado depende da definição de alguns factores a serem considerados na fase de projecto. Dentre esses factores, destaca-se: necessidade de projecção sobre a via, características geométricas do local, dimensionamento da carga a ser suportada, velocidade dos ventos, condições de visibilidade, composição do tráfego e largura das vias. Nas figuras 15 e 16 são apresentados desenhos ilustrativos dos diferentes tipos de elementos de sustentação. 17 Figura 15 Suporte de coluna e suporte de braço Fonte: D. M. Fama, sistema automatizado de semáforos sustentado em protótipo controlado por arduíno, 2020. Figura 16 Suporte pórtico e suporte cordoalha 18 Fonte: D. M. Fama, sistema automatizado de semáforos sustentado em protótipo controlado por arduíno, 2020. 4- Controlador semafórico: São os equipamentos programáveis que comandam as trocas das indicações luminosas dos grupos focais. Em relação à tecnologia empregada, os controladores dividem-se em electromecânicos e electrónicos. § Controladores electromecânicos: são constituídos por elementos elétricos e mecânicos. Sua programação é implementada a partir de uma combinação de recursos mecânicos. Na maioria das vezes comportam apenas uma programação semafórica e possuem recursos operacionais limitados. § Controladores electrónicos: são constituídos por componentes elétricos e electrónicos, de acordo a figura 17. Sua programação é implementada a partir de recursos computacionais do equipamento. Este tipo de tecnologia permite que os equipamentos disponham de recursos de programação que facilitam as soluções de engenharia. Figura 17 Controlador semafórico Fonte: https://larevista.aqpsoluciones.com/2018/07/06/controlador-de-semaforos/ 1.2.3. Vantagens e desvantagens do semáforo Todo e qualquer sistema devem ser desenvolvidos com o objectivo de solucionar problemas que se vivem no quotidiano, mas a sua implementação nem sempre se reflecte no propósito pelo qual foi desenvolvido. A implementação de um semáforo é uma decisão que acarreta impactos consideráveis, que podem vir a ser tanto positivos, quando instalados correctamente, como negativos, quando instalados de forma incorrecta. 1.2.3.1. Vantagens do semáforo Os semáforos apresentam vantagens quando são instalados correctamente nas vias públicas: § Ordenam o tráfego de veículos nas intersecções das vias; 19 § Propiciam a diminuição de determinados tipos de acidentes, § especificamente as colisões transversais; § Proporcionam maior segurança e conforto de veículos e peões; § Controlam o trânsito de uma forma mais eficiente. 1.2.3.2. Desvantagens do semáforo Os semáforos apresentam desvantagens quando são instalados Incorrectamente nas vias públicas: § Causam aumento no número de paragens, do tempo de espera dos veículos e dos peões; § Causam aumento no número de acidentes; § Aumento das violações das leis de trânsito; § Implicam em alto custo e consequentemente gastos desnecessários de instalação e manutenção. 1.2.4.Critérios gerais para a instalação do semáforo A implantação de um semáforo é uma decisão que acarreta impactos consideráveis, que podem vir a ser tanto positivos como negativos. Instalado correctamente, propicia a diminuição de acidentes e o maior conforto de veículos e pedestres. Entretanto, se for instalado num local em que sua presença é inadequada, causa aumento no número de paradas, do tempo de espera dos veículos e pedestres, do número de acidentes, além de implicar em gastos desnecessários de instalação, operação e manutenção; A sinalização semafórica é uma das alternativas para o gerenciamento de conflitos em intersecções ou em meio de quadra. Antes de decidir pela implementação de sinalização semafórica, deve ser avaliada a sua efectiva necessidade, considerando a viabilidade da adopção de outras medidas alternativas, tais como as relacionadas a seguir: § Definição da preferência de passagem; § Remoção de interferências que prejudiquem a visibilidade; § Melhoria na iluminação; § Adequação das sinalizações horizontal e vertical; § Controlo das velocidades nas aproximações; § Adequação na geometria; § Proibição de estacionamento; § Implementação de refúgios para peões; § Alteração de circulação; 20 § Inversão da preferência de passagem; § Direccionamento dos peões para locais seguros de travessia (pedágios); § Reforço da sinalização de advertência. A implementação de semáforos é justificada se nenhuma dessas alternativas for suficiente para resolver o problema. O uso apropriado de semáforo produz impactos positivos no controlo de trânsito, apresentando muitas vantagens. 1.2.5. Condição para instalação do semáforo Alguns critérios devem ser obedecidos a fim de justificar a instalação de um semáforo em uma intersecção. § Mínimo volume de fluxo em todas as aproximações; § Interrupção de tráfego contínuo; § Volumes conflituantes em intersecções de cinco ou mais aproximações; § Mínimo volume de pedestres que cruzam a via principal; § Indices de acidentes; § Melhoria de Sistema progressivo; § Controle de áreas congestionadas; § Combinação de critérios 1.2.6. Intersecções na via O conceito intersecção pode ser utilizado em nosso idioma com dois sentidos diferentes. De um lado, é utilizado no campo da geometria para designar aquele ponto estabelecido em que se cruzam duas linhas. Também serve para indicar o encontro entre duas linhas, planos ou objectos que se cortam mutuamente. Mas sem dúvida é no trânsito onde mais se usa esse termo, mesmo assim não podemos esquecer que sua utilização é resultado direito de sua referência apresentada na geometria. Basicamente a intersecção no trânsito se refere ao cruzamento de duas ou mais ruas. Sua principal função é possibilitar o acesso de quem circula à outra via e assim chegar a seu destino. Segundo (S.C. ARAÚJO, 2006) as ruas e as avenidas são o meio físico de circulação dos veículos. Em um cruzamento de duas ou mais vias existem movimentos que não podem ser feitos simultaneamente, pois são conflituantes entre si, como ilustrado na figura 18. Entretanto, pode-se estabelecer alguma norma de controlo de direito de passagem com o objectivo de melhorar o fluxo do tráfego e reduzir os riscos de acidentes, tanto para veículos como para pedestres. Em vias que apresentam um baixo fluxo de tráfego, os 21 conflitos entre veículos são facilmente resolvidos pela regra de que o primeiro a chegar é o primeiro a atravessar ou pela regra da legislação, a qual concede a preferência à via da direita em relação ao condutor. No entanto, em ruas um pouco mais movimentadas essas regras não são obedecidas pelos condutores, o que causa várias discórdias e discussões, sendo necessário estabelecer novas regras de prioridade entre as aproximações do cruzamento para permitir a travessia da intersecção. Figura 18 Movimentos conflitantes em um cruzamento Fonte: S. C. Araújo,controlador de tráfego: semáforo inteligente, Brasília: UNICEUB, 2006. Porém a regra de prioridade possui algumas falhas, já que os veículos da via secundária podem ter que esperar longos períodos de tempo caso o volume de tráfego da via principal esteja intermitente, como de se ver a figura 19. Figura 19 Intercessão congestionadas Fonte: S. C. Araújo,controlador de tráfego: semáforo inteligente, Brasília: UNICEUB, 2006. 1.2.7. Sincronização de semáforos Na maioria das grandes cidades o sistema de controlo de tráfego urbano é uma completa desordem. A falta de organização do sistema de tráfego gera inúmeros transtornos à população, a qual necessita enfrentar esse sistema seja em veículo próprio, seja através de transporte colectivo. O que acontece de uma maneira geral é que os semáforos de esquinas 22 adjacentes de uma mesma via normalmente funcionam de maneira pontual, como um ponto isolado de todo um conjunto, dessa forma, como não há sincronia, os veículos se deslocam distâncias muito pequenas e têm a necessidade de parar novamente em virtude do próximo semáforo, isto gera engarrafamento em dias de maior movimento e horários de pico. A existência de sincronismo entre cruzamentos semaforizados ao longo de uma avenida, a chamada onda verde, é um aspecto de muita importância para a ocorrência de fluidez e maior segurança no trânsito. Uma sincronização é alcançada quando pelo menos dois semáforos executados em conjunto façam com que um veículo realize o percurso completo sem paradas, mas nem sempre isso será possível. Vários factores influenciam directamente nesse resultado, entre eles podemos encontrar um alto número de veículos em diversos sentidos e situações imprevisíveis como alagamentos e acidentes. No contexto de sincronização de semáforos, existem alguns conceitos que são essenciais para o entendimento, são eles: § Semáforo: componente electrónico que fornece informações aos condutores de veículos e aos pedestres através de indicações luminosas; § Onda verde: é quando a sincronização de semáforos proporciona que os veículos passem por maior quantidade de semáforos no sinal verde (estado “aberto”) ao longo de uma via; § Estágio: é cada intervalo de tempo em que o sinal verde ou vermelho não se altera; § Fase: é o conjunto de sequências de indicações luminosas; § Ciclo: é definido quando todos os grupos semafóricos tenham passado pelo sinal verde pelo menos uma vez; § Desfasagem: é o tempo necessário de espera entre um semáforo e o outro subsequente para que seja possível acontecer a onda verde; § Rota: é o percurso em que o veículo vai percorrer no cenário. A figura 20, é um exemplo de um cenário com quatro cruzamentos. Nela podemos notar que existem várias direcções de escolha para cada veículo, indicados pelas setas e várias fases semafóricas, exibidos nas cores verde representando o siga e vermelho o pare. 23 Figura 20 Rede semafórica de 4 vias Fonte: J. C. V. Santos, Utilização de Técnicas de Redução de Dimensionalidade em Algoritmos de Otimização com Muitos Objetivos no, São Cristóvão – Sergipe, 2019. Segundo (A.T.G. FERREIRA, 2020) umas das grandes vantagens da sincronização de semáforo é a redução dos congestionamentos e diminuição de tempo de viagem deixando um fluxo de qualidade, segurança para pedestre e motorista. Com a finalização deste capítulo conclui-se que, a evolução dos semáforos foi útil, pois que as diferentes versões foram desenvolvidas de modo a suprir as necessidades ou debilidades que os dispositivos anteriores apresentavam. 24 Capítulo 2: caracterização e descrição do sistema de semáforos proposto Província do Centro-Oeste de Angola cuja capital é a cidade de Sumbe. Por vezes, encontra-se sob a forma ortográfica Kwanza Sul. Confinada pelas províncias angolanas de Benguela (a sul), Huambo (a sul), Bié (a este), Malanje (a nordeste), Cuanza Norte (a norte) e Bengo(a noroeste), a província de Cuanza Sul tem uma superfície de 55 660 km2. A cidade de Sumbe, antigamente Novo Redondo, foi fundada a 7 de janeiro de 1769, pelo Capitão Mor de Muxima, José Rodrigues, e tornou-se sede do distrito de Cuanza Sul, a 3 de novembro de 1919. A província de Cuanza Sul, uma região montanhosa (especialmente a sudeste), é bem irrigada sobretudo pela passagem dos rios Cuanza, Longa, Cuvo ou Queve e Cubal, o que permite que não só os solos sejam férteis para a agricultura, como também se desenvolva uma atividade pesqueira na região. Quanto à produção agrícola, com importância na economia nacional, ela assenta no cultivo de café, milho, feijão, banana, algodão, óleo de palma, sisal, abacaxi, girassol e citrino. Do ponto de vista fisiográfico, o município do Sumbe é parte integrante da peneplanície litoral de Angola, que, com uma profundidade variável, se estende ao longo da costa atlântica. Precisamente a faixa norte corresponde, sensivelmente, à sua largura máxima, por coincidir também com o máximo desenvolvimento da bacia sedimentar do Queve. Esta peneplanície, que constitui uma unidade geomorfológica bem definida envolve não só as formações sedimentares, de idades compreendidas entre o cretácico inferior e o plistocénico (aplanação litoral) mas também as rochas do maciço antigo (aplanação sub- litorânea). Figura 21 Localização geográfica da cidade do Sumbe Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Sumbe 25 As prinicipais vias rodoviárias de Sumbe são a EN-100, que a liga ao Porto Amboim, ao norte, e ao Lobito, ao sul. Outra rodovia importante é a EN-245, que conecta o Sumbe ao Ucu-Seles, no leste. 2.1. Principais pontos de intercessão da cidade do Sumbe com maior tráfego Figura 22 Principais pontos de intercessão da cidade do Sumbe 1-Entrocamento na rua da antiga DEFA 02-Entrocamento na rua da antiga DEFA 03 Pinhanha do mercado municipal. 04 – Entrocamento na rua da antiga DEFA 05 – Pinhanha da mercado municipal 06-Cruzamento do São Francisco Fonte: Autoria própria 2.1.1. Diagnóstico Nos últimos anos, Sumbe, uma cidade em constante crescimento, tem enfrentado desafios significativos devido ao aumento expressivo da densidade populacional e do tráfego. Esse crescimento acelerado tem sobrecarregado as infraestruturas urbanas existentes, exigindo intervenções urgentes para atender às necessidades da população. 26 A cidade é cortada por importantes vias rodoviárias, como a EN-100, que conecta Sumbe a Luanda e Lobito, e a EN-120, que faz a ligação com outras localidades da província do Cuanza Sul. Essas rodovias são essenciais para o escoamento de produtos agrícolas e pesqueiros, além de contribuírem para o dinamismo económico da região. Apesar de sua importância, o sistema de semáforos em Sumbe enfrenta desafios semelhantes aos de outras cidades em desenvolvimento, com avarias frequentes que comprometem a segurança e a fluidez do tráfego. Os semáforos estão localizados em pontos estratégicos, como: - O cruzamento da entrada do mercado municipal; - O entroncamento próximo ao Instituto Politécnico do Sumbe; - O cruzamento da zona comercial do Shoprite; - E na intersecção do Hospital 17 de Setembro. Essas avarias têm gerado consequências preocupantes, incluindo um aumento na frequência de acidentes de trânsito e congestionamentos constantes, especialmente nos horários de pico, das 6h às 8h e das 16h às 18h. Tais problemas não apenas dificultam a mobilidade urbana, mas também colocam em risco a segurança dos cidadãos e prejudicam o funcionamento da economia local. Para compreender melhor a gravidade da situação, foi realizado um estudo de campo, que incluiu inquéritos por entrevista com moradores e motoristas locais, visando identificar as causas das avarias e possíveis soluções para mitigar os impactos negativos. 2.1.2. Validação do inquérito por questionário O inquérito por questionário foi dirigido a 40 pessoas, incluindo homens e mulheres. O mesmo está composto por uma série de 6 perguntas fechadas relacionadas ao sistema de semáforo para alerta de aproximação de veículos com prioridade. O estudo realizado mostrou que a população da cidade do Sumbe tem conhecimento da importância e função do dispositivo na cidade nas vias de circulação rodoviária. No entanto, a cidade já conta com uma estrutura semafórica normal, porém as mesmas encontram-se fora de uso devido à falta de manutenção preventiva e correctiva. Com base nas respostas da população, a presente proposta pode trazer muitos benefícios, pois evita acidentes e congestionamentos, pode proporcionar maior fluidez no trânsito e dar prioridade aos veículos de emergência, convergindo com a mesma linha de pensamento justificada pela pesquisa, que está focalizada em conceder prioridade aos veículos de emergência, como ambulâncias, bombeiros e polícia, 27 e melhorar a segurança nas vias de circulação rodoviária, como pode ser observado nos anexos (Nº 1). A Tabela 1 apresenta as respostas obtidas dos populares em algumas perguntas do referido inquérito. Tabela 1 Respostas das questões do inquérito por questionário Nº de Inquerido Pergunta Resposta Sim Não Talvez 40 Você acredita que um novo sistema de semáforos pode melhorar a fluidez do tráfego? 90% 0 10% Você já observou veículos prioritários (como ambulâncias ou carros de polícia) passando pelos semáforos? 75% 20% 0 Você acha que os pedestres também se beneficiaram das mudanças dos antigos sistemas de semáforos? 60% 20% 20% Você já testemunhou algum acidente ou incidente relacionado ao tráfego nos cruzamentos da cidade? 70% 30% 0 Você acredita que o sistema de semáforos actual é eficiente em termos de tempo de espera? 40% 50% 10% Você sente que o tempo de espera nos semáforos diminuirá com a implementação desse novo sistema? 45% 15% 40% Fonte: Autoria Própria 2.1.3. Apresentação dos resultados do questionário Com base nos resultados obtidos por meio do inquérito por questionário dirigido aos moradores da cidade do Sumbe é possível observar que a estrutura semafórica actualmente instalada naquela localidade não atende à demanda da cidade. Diversos problemas foram identificados, incluindo a má distribuição dos semáforos, a falta de sincronização entre eles e a insuficiência de sinalização em áreas de grande fluxo de veículos. Esses factores contribuem para um trânsito caótico e inseguro, especialmente em horários de pico. A pesquisa revelou que uma grande parcela dos entrevistados sente-se insegura ao transitar pelas ruas e avenidas da cidade, devido à alta incidência de acidentes 28 em intersecções e cruzamentos. Uma das maiores preocupações é a segurança dos veículos de emergência, como ambulâncias, viaturas de bombeiros e da polícia, que frequentemente enfrentam dificuldades para atravessar o tráfego, mesmo em situações de emergência. Diante desse cenário, acredita-se que a implementação de um sistema de semáforo para alerta de aproximação de veículos prioritários poderia representar uma solução eficaz. Esse sistema funcionária de maneira a identificar a aproximação de veículos como ambulâncias, bombeiros, polícia, carros-fortes e a frota presidencial, e ajustar automaticamente os semáforos para garantir uma passagem segura e rápida. 2.1.4. Impacto do sistema proposto na Cidade do Sumbe A cidade do Sumbe enfrenta desafios relacionados ao tráfego de veículos, especialmente no que diz respeito à prioridade de passagem para veículos de emergência e outros serviços essenciais. O desenvolvimento e implementação deste sistema de semáforo inteligente representam um avanço significativo para a cidade do Sumbe, contribuindo para uma mobilidade urbana mais eficiente, segura e responsivo às emergências. O sistema proposto para além de optimizar o fluxo de veículos nasvias, reduzirá também os congestionamentos e o tempo de deslocamento, o mesmo sistema também irá melhorar a mobilidade dos pedestres. A presente proposta busca não apenas melhorar o fluxo de tráfego, mas também salvar vidas e proporcionar uma experiência de cidade mais segura e conectada. 2.2. Descrição dos principais hardwares utilizados no protótipo Para a construção do protótipo são vários os hardwares utilizados tais como: resistores, capacitores, transístores, conectores, placas protoboard, placas PCB, fonte de alimentação (5v), chaves, díodos rectificadores, potenciómetros, C1815, etc. No entanto os hardwares considerados primordiais para o funcionamento do protótipo são: HT12E, HT12D, módulos RF 433 MHz (Tx e Rx), antenas e LEDs de alto brilho, (CIs – circuito integrados) 4017 e 555. 2.2.1. Módulos RF 433 MHz Os módulos RF de 433MHz são dispositivos de comunicação sem fio que operam na frequência de 433 megahertz (MHz). Eles são projectados para permitir a transmissão e recepção de dados sem fio em curtas distâncias. Esse tipo de módulo é comummente utilizado em sistemas de controlo remoto, sistemas de segurança, sistemas de automação residencial, sensores sem fio e outros dispositivos que requerem comunicação sem fio de curto alcance. 29 O módulo RF de 433 MHz é utilizado para transmitir informação sem fios através de ondas de rádio. O transmissor modula os dados de série externos em alta frequência e transmite-os por ligação rádio para o módulo receptor. O módulo consiste num transmissor de rádio APF03 e num receptor APRXB12. Utiliza a modulação ASK (amplitude shift keying) com uma frequência de 433 MHz. Os módulos de rádio RF433MHz têm um alcance de alguns metros (
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