Desenvolvimento de um Sistema de Controle de Nível para Reaproveitamento de Água

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PALHANO, Luiz Fábio de Souza

PALHANO, Luiz Fábio de Souza. Desenvolvimento de um Sistema de Controle de Nível para Reaproveitamento de Água. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 03, Ed. 08, Vol. 07, pp. 69-85, Agosto de 2018. ISSN:2448-0959

Resumo

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de controle automático de nível de reaproveitamento da água, com a utilização da plataforma microcontrolador arduino. Reaproveita a água gerada principalmente pela máquina de lavar, sendo reutilizado pela mesma, e também nos vasos sanitários e para limpezas em geral como calçadas. A partir deste sistema há um melhor controle e gerenciamento do consumo de água, resultando numa economia significativa para os usuários tanto quanto o desperdício da água. Neste sistema há, uma eletrobomba, sendo conectada a um reservatório inferior, que faz com que o abastecimento do reservatório superior seja realizado conforme o nível desejado, sensores de leituras dos níveis, display que informa os níveis e possíveis erros de funcionamento, eletroválvula para abastecimento com água que vem da distribuidora, abastecendo o reservatório superior se for necessário. Resultados, uma lavadora de roupas que seu consumo, varia entre 100 e 120 litros por ciclo, devido a este projeto o consumo de agua de uma residência diminuirá consideravelmente, para que o projeto de pesquisa seja completamente viável, ainda na sua fase de pesquisa, foi desenvolvido um protótipo potencializando a possibilidade de desempenhar uma boa interação do projeto mais próximo possível da sua realidade.

Palavras-chave: Água, Consciente, Consumo, Economia.

1. Introdução

A introdução e o avanço de novas tecnologias no mundo, especialmente no Brasil tem sido um marco importante para o desenvolvimento de boas experiências no campo do desenvolvimento tecnológico voltado para a melhoria da vida das pessoas e empresas. Desta forma, tecnologias ganham espaço e respeito até de quem iniciou sua atividade no mundo ainda analógico.

Segundo KAHNEY (2009), Steve Jobs narrou em 1998, para a revista Fortune que “a inovação não tem nada a ver com a quantidade de dólares que você investe e m P&D, que não é uma questão de dinheiro. É a equipe que você tem, sua motivação e quanto você entende da coisa”.  Hoje a tecnologia e inovação caminham juntas no sentido de dar novas oportunidades às antigas metodologias criadas por renomados inventores, onde tudo na atualidade é uma questão de aprimoramento das criações já existentes.

O desenvolvimento deste projeto de pesquisa tem sua justificativa quando da apresentação de um sistema de controle de nível de água com o uso do arduino, que segundo MCROBERTS (2011) “Arduino é um pequeno computador que você pode programar para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele”. Este sistema pode possibilitar a melhoria da qualidade de vida das pessoas, no sentido de economia, porque permite que haja menos desperdício de água. Outro fato considerável é a crise hídrica brasileira que tem sido potencialmente alta em períodos como o verão, fazendo com que o consumo de água seja cada vez maior e os níveis de abastecimento dos reservatórios de água disponíveis sejam comprometidos, limitando o acesso e consumo de água, especialmente em grandes centros e/ou metrópoles como a grande São Paulo, por exemplo.

Este projeto será para qualquer pessoa em qualquer ambiente que possa e queira fazer reaproveitamento de água em residências, empresas, escolas, associações e hospitais. E seu orçamento previsto para a elaboração deste projeto de pesquisa, gira em torno da construção de um protótipo de controlador de nível de água e seu custo total R$ 355,00 (quinhentos reais).

1.1 Objetivos

1.2 Objetivo geral

Desenvolver um sistema de gerenciamento de nível de água de fácil utilização e baixo custo, específico para residência, condomínios, empresas, escolas, associações, que trará benefícios, econômico e para o meio ambiente. Neste projeto de pesquisa será ilustrada esta adaptação desenvolvendo um protótipo de sistema de Controle Automático de nível de água com microcontrolador arduino e sensores, válvula e eletrobomba.

1.3 Objetivos específicos

Os objetivos específicos desse trabalho são:

  1. Projetar um sistema de controle de nível de água que seja capaz de solucionar problemas como, diminuir o consumo de água em uma residência, economizando financeiramente.
  2. Automatizar e facilitar o monitoramento do consumo de água, pelos usuários, fazendo que interajam e tenham um pensamento de consumo consciente.
  3. Apresentar as vantagens obtidas com a utilização da automação residencial com o uso da plataforma microcontroladora arduino.

1.4 Metodologia

Esta pesquisa pode ser classificada como aplicada, pois tem como propósito gerar o conhecimento através da prática sobre um problema específico, que é produzir algo viável e prático, que irão interpretar as ações e reações do sistema automático de controle de nível dos reservatórios de água.

Appolinário (2004, p. 152) salienta que pesquisas aplicadas têm o objetivo de “resolver problemas ou necessidades concretas e imediatas”.

Foram feitas observações in loco devido ao auto desperdício de água gerado principalmente pelas máquinas de lavar.

1.5 Pesquisa Bibliográfica

Para a realização deste trabalho foram pesquisados em livros artigos e TCCs e também em sites da internet.

A pesquisa bibliográfica é feita a partir do levantamento de referências teóricas já analisadas, e publicadas por meios escritos e eletrônicos, como livros, artigos científicos, páginas de web sites. Qualquer trabalho científico inicia-se com uma pesquisa bibliográfica, que permite ao pesquisador conhecer o que já se estudou sobre o assunto. Existem, porém, pesquisas científicas que se baseiam unicamente na pesquisa bibliográfica, procurando referências teóricas publicadas com o objetivo de recolher informações ou conhecimentos prévios sobre o problema a respeito do qual se procura a resposta (FONSECA, 2002, p. 32).

Em resumo, toda a metodologia de pesquisa servirá como norteadora de um estudo prático sobre o uso do Arduino na automação residencial, para melhorar a vida dos usuários.

1.6 Estrutura de Capítulos

Neste próximo capítulo será apresentada a Revisão Bibliográfica onde são abordados, a motivação para realizar este projeto conscientização ambiental, agua, economia sistemas embarcados, além dos componentes do sistema e seus conceitos: arduino, o reservatório, eletrobomba, sensores ultrassônicos, tubulação, eletroválvula, LEDs, display de LCD, protoboards.

2. Reaproveitamento de Água Através de Sistemas de Controle.

2.1 A Motivação Para Este Projeto

Fiz esse trabalho devido ao ver uma máquina de lavar roupas de 17K de capacidade que trabalha gastando uma média de 100 a 132 litros por ciclo sem distinção do que pode ser reaproveitado, jogando toda água no ralo e sabendo que algumas regiões do nosso mundo e até no Brasil pessoas pagariam caro por essa água que é desperdiçada.

Inclusive em São Paulo onde ocorreu uma crise hídrica no verão de 2015, pessoas ficaram desesperadas pela falta de água. Na época, chegou a não se encontrar produtos como balde e caixa d’água para comprar, devido à grande procura, para estocar água em casa. Era o Assunto geral nos noticiários.

Além disso com o novo saneamento básico feito na cidade onde moro vai gerar aumento na cobrança da tarifa d’agua. Devido esta preocupação surgiu o interesse desse projeto.

2.2 Conscientização Ambiental

O crescimento acelerado e desordenado das cidades tem causado grandes desastres naturais, impactando fortemente o ambiente nas últimas décadas, gerando preocupação no homem. Isso é fruto da omissão dos cidadãos, seja por desconhecimento ou falta de consciência ambiental. Ter atitudes adequadas de consumo descarte de resíduos e utilização da reciclagem começa individualmente para depois ir para o coletivo, é um processo em permanente construção, descobrir o lugar que se vive, tentando mudar ações cotidianas para uma vida mais sustentável.

A educação ambiental das crianças e adultos é o primeiro passo a ser dado, pode ser feita através de jornais, vídeos, palestras, teatros, mas tem que ser algo prazeroso, deve ser um ato voltado para mudança social, buscando conscientizar a todos que os recursos naturais são esgotáveis, e que somos os principais responsáveis pela degradação do ambiente.

O poder público e algumas empresas se preocupam com questões ambientais, porém é mais por obrigações legais e benefícios financeiros do que por consciência, isso é algo que tem que mudar.

2.3 Água

A água é o recurso natural mais importante do nosso planeta essencial para o consumo humano, para agricultura, indústria, geração de energia, alimentação, transporte e lazer.

O planeta é constituído por 70% de água, sendo desse 97,5% de água salgada que não serve para o consumo, 2, 453% de água doce que estão nas geleiras e aquíferos de difícil acesso, somente 0,007% de água doce está disponível para o consumo. JUNIOR (2016 Apud ANA 2013).

Enquanto em algumas regiões a água doce é abundante, outras convivem com sua escassez. Um dos principais ameaçadores da qualidade das águas é o crescimento demográfico da população e a degradação decorrente das atividades industriais, agropecuárias e de mineração.

2.4 Economia.

A economia gerada dependera do consumo de cada residência ou local instalado este sistema de controle, é um gasto que pode variar conforme região, temperatura e necessidade, mas para este projeto será pesquisado a economia obtida em uma máquina de lavar roupas.

Uma máquina de lavar roupas de 17kuilos de capacidade, gasta em média 100 a 120 litros por ciclo, segundo o Inmetro, e após o término da lavação, resta aproximadamente 96% da água consumida, os 4% se perdi no processo de lavação e secagem das roupas. Através deste sistema de reaproveitamento terá uma economia significativa de 96% tendo somente 10% de perda. Isso explanando somente para o uso reservado para máquina de lavar, num circuito fechado, ou seja, da máquina de lavar roupa voltando para ela mesma.

2.5 Sistemas Embarcados

Sistema embarcado ou embutido tem como definição ser um sistema computacional com objetivo específico de controlar um sistema maior, como eletrodoméstico, automação de escritório, automóveis e produtos de consumo. Então podemos dizer que sistemas embarcados são limitados a realizar uma única tarefa, através de sensores e atuadores, agindo mutuamente com o ambiente a seu redor.

Sistemas embarcados é parte integrante dos vários dispositivos que encontramos em nossa vida moderna como roteadores celulares câmeras digitais, micro-ondas, maquinas de lavar, impressoras, freio ABS, etc. e que segundo CHASE, Otavio (2007), existe várias aplicações para um sistema embarcado desde o controle de freio de um carro, capturar informações dos sensores de temperatura e umidade enviando para um display ou computador.

2.5.1 Microcontrolador

Os microcontroladores são minúsculos computadores que estão presentes em nossa vida, para onde olhamos e o que fazemos, lá está, ao aquecer leite no micro-ondas, falar no celular, dirigir o carro e ao ver televisor. Com a arquitetura de um microcomputador e com um conjunto de instruções reduzidas, ele gasta pouca energia e tem custo acessível.

Segundo ELETRÓNICA (2016) é apresentar também sobre o microcontrolador:

Os microcontroladores (Abrev: µC, uC, MCU); são circuitos integrados que têm no seu interior as funções básicas de um computador (processador, memória e entrada/saída de dispositivos). Diferem dos processadores convencionais porque, para além dos dispositivos lógicos e aritméticos comuns nos processadores, têm também integrados elementos adicionais memória de leitura e escrita, memória apenas de leitura, PROM para armazenamento permanente de dados e dispositivos de interligação e conversão de dados. A principal diferença, atualmente, entre o microcontrolador e o processador é inclusão de conversores digital-analógico (DAC) e analógico-digital (ADC) nos seus circuitos.

Figura 1: Esquema de um microcontrolador. Fonte: ELETRÓNICA, 2016.
Figura 1: Esquema de um microcontrolador. Fonte: ELETRÓNICA, 2016.

A fabricante Atmel que produz o microprocessador ATmega 328 utilizado pelo arduino que será usado neste projeto onde é o principal responsável para o sucesso do mesmo, possui a CPU(Unidade Central de Processamento), memórias (RAM, ROM, EEPROM), pino digitais de entrada e saída, pinos analógicos, pinos PWM (Pulse Width Module), conversor de sinal analógico/digital, etc.

2.5.2 O Arduino

Ao longo do tempo, e na mesma linha de pensamento, surgiu na Itália, em meados do ano 2005, uma nova metodologia de microcontrolador chamado em referência de Arduino, que consistia numa placa programada através de software que pode ser utilizada numa ampla gama de projetos tecnológicos, porém seu objetivo principal é o de controlar situações relacionadas a tecnologia.

Sendo assim, EVANS; NOBLE; HOCHEBAUM (2013) comentam que, ele discutiu o tema com David Cortielles, um pesquisador visitante da Universidade de Malmo, na Suécia, que também buscava por uma solução semelhante, surgindo assim em consenso, o Arduino.

Figura 2: Modelo/Exemplo de Arduino. Fonte: EVANS; NOBLE; HOCHEBAUM (2013)
Figura 2: Modelo/Exemplo de Arduino. Fonte: EVANS; NOBLE; HOCHEBAUM (2013)

O campo de atuação do arduino são imenso controlando motores lâmpadas válvulas e outros atuadores através de seus pinos de entrada ele adquiri informação do ambiente, para isso sensores devem ser usado. Os campos de atuação para o controle de sistemas são imensos, podendo ter aplicações na área de impressão 3D, robótica, engenharia de transportes, engenharia agronômica, musical, moda e tantas outras.

2.5.3 Uso/Aplicação do Arduino.

A plataforma arduino foi utilizada para desenvolver objetos autônomos e interativos um sistema de controle de nível, controlando eletrobomba e eletroválvulas através dos reles, display, sensores e leds.

Segundo RENNA ET AL. (2013, p. 03) “O Arduino foi projetado com a finalidade de ser de fácil entendimento, de fácil programação e de fácil aplicação, além, de ser uma multiplataforma, podendo ser configurado em ambientes Linux, Mac OS e Windows”. Além disso, um grande diferencial deste dispositivo é ser mantido por uma comunidade que trabalha na filosofia open-source, desenvolvendo e divulgando gratuitamente seus projetos.

Plataforma de computação física em que serão ligados sensores e atuadores, permitindo que se captem informações e a partir disso, aja reações físicas através de entradas e saídas dessa plataforma, utilizando-se de bibliotecas desenvolvidas com funções, para realizar o desejado pelo sistema.

2.5.4 Arduino Uno.

O arduino uno, qual foi utilizado neste projeto fara todos os controles, onde estão ligados os sensores ultrassónicos, rele que comanda a eletroválvula e a eletrobomba, os LEDS, o display e seu modulo I2C.

Para EVANS; NOBLE; HOCHEBAUM (2013), o Arduino Uno (assim batizado pelos italianos) chegou no mercado no ano de 2010, sendo apresentado com uma compatibilidade de pino para o Arduino das versões anteriores que incluíam o Duemilanove e o Diecimila, sendo que a versão Uno já se apresentava com a inclusão de um microcontrolador programado ATmega8U2 como conversor USB-para-serial que substituía o chipset FTDI que ficou obsoleto com as versões anteriores.

 Figura 3: Layout da placa e pinos do Arduino Uno. Fonte: EVANS; NOBLE; HOCHEBAUM (2013:27).
Figura 3: Layout da placa e pinos do Arduino Uno. Fonte: EVANS; NOBLE; HOCHEBAUM (2013:27).

O custo deste arduino foi de 20,00R$, (vinte reais)

2.5.5 Estrutura da linguagem do Arduino

O software de controle e programação do Arduino foi escrito em C,C++ e Java, já a linguagem usada para escrever os códigos do Arduino é uma mistura do C e C++

A estrutura básica da linguagem de programação do Arduino é bastante simples; ela é formada por dois blocos de funções que carregam outros blocos de funções escritas em linguagem C/C++. O primeiro bloco de funções forma a função setup; o segundo, a função loop.

2.6 O Reservatório

Serão dois reservatórios, estes reservatórios receberão água não potável já utilizada no processo feito pela máquina de lavar, classificaremos como Reservatorio1 e Reservatório2, onde está classificação auxiliária na explanação geral do assunto.

A seguir uma imagem para melhor compreensão do projeto o que está escrito em amarelo será parte essencial do mesmo.

Figura 4: Representação do projeto. Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 4: Representação do projeto. Fonte: Elaborado pelo autor.

Estes reservatórios tiveram um custo de 50,00 R$ (cinquenta reais).

2.6.1 Reservatório 1

Localizada num nível superior. Recebe a água do Reservatório 2 e também água tratada da CASAN interligada a uma eletroválvula que abrira conforme necessidade do consumo.Esta água será reutilizada pela própria máquina de lavar, usada também para vasos sanitários, limpezas de carros e calçadas, não servira para beber nem tomar banho.

A seguir uma imagem ilustrativa do Reservatório 2

Figura 5: Representação do reservatório 2. Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 5: Representação do reservatório 2. Fonte: Elaborado pelo autor.

2.6.2 Reservatório 2

Localizada num nível inferior recebera água das maquinas de lavar e enviara através da eletrobomba o liquido para o Reservatório 1.

A seguir uma imagem ilustrativa do Reservatório 2

Figura 6: Representação do reservatório 2. Fonte: Elaborado pelo autor
Figura 6: Representação do reservatório 2. Fonte: Elaborado pelo autor

2.7 Eletrobomba

A eletrobomba faz parte de um dos elementos atuadores do processo, ela bombeia o liquido do Reservatório1 (inferior) para o Reservatório2 (superior). Esta eletrobomba e de uma máquina de lavar, e seu custo médio é de 25,00R$, a seguir uma imagem:

Figura 7: Eletrobomba Lavadora. Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 7: Eletrobomba Lavadora. Fonte: Elaborado pelo autor.

2.8 O Sensor Ultrassônico

Este sensor será usado para medir o nível de água nos reservatórios terá dois sensores ultrassônicos um em cada reservatório que enviara o sinal para o arduino, informando no display a quantidade de nível que a nos reservatórios e fara processo de controle.

Figura 8: Sensor Ultrassônico. Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 8: Sensor Ultrassônico. Fonte: Elaborado pelo autor.

Estes sensores têm o mesmo princípio de funcionamento que do sonar dos morcegos. BRAGA (2012).

O sensor é usado para medir distâncias. A distância do sensor de ultrassom comum de medição é de cerca de 2 cm a 3-5m. BRAGA (2012).

Este sensor custou 11,00R$ (onze reais) cada.

2.9 Tubulação e outros componentes dos reservatórios

A tubulação é responsável por conduzir o líquido entre o Reservatório1 e reservatório2, são itens comerciais e quase todos foram constituídos da linha soldável. O diâmetro nominal será da tubulação é de 20 mm (1/2’’).

Esta tubulação mais as válvulas torneiras curvas flanges teve um custo de 100,00R$

2.10 Eletroválvula

A eletroválvula ou válvula solenoide será utilizada para abastecer o Reservatório1 onde atuara quando os níveis dos dois reservatórios estiverem baixo de 20%, conforme programado pelo arduino.

Esta eletroválvula é uma de máquina de lavar, aquela que ao programar a sua máquina para executar uma sequência ela inicia abrindo a mesma deixando a água entrar até o nível necessário.

O custo desta eletroválvula é de 19,00R$ (dezenove reais).

Figura 10: Eletroválvula. Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 10: Eletroválvula. Fonte: Elaborado pelo autor.

2.11 LEDs

Foi usado neste projeto leds Comuns de 5mmSuperflux (piranha), de baixa corrente e potência com encapsulamento em resina epóxi transparente com uma lente concentradora em sua extremidade. Devido a degradação de sua resina epóxi, este led possui vida útil inferior a 10.000 horas. Utilizados em painéis, telões, transmissores de controle remoto, iluminação de baixa intensidade luminosa, barras e fitas led. Foi criado uma barra de leds para indicação de nível dos reservatórios

Os leds não podem ser ligados diretamente a uma fonte de tensão, pois isso certamente acabará queimando o componente. Em geral, os leds são feitos para trabalhar com uma corrente elétrica entre 1mA e 20mA. Portanto, devemos colocar em série com o componente um resistor para limitar a corrente que será conduzida pelo led. PATSKO, Luís F. (2006).

2.12 Display de LCD Modulo Serial I2C

Os displays apresentam uma série de vantagens quando empregados em diversos projetos. Por exemplo, com eles é possível ver o estado de um componente, mostrar a mensagem de ajuda quando quisermos abrir uma porta com senha, e diversas outras finalidades. Neste trabalho vamos tratar com os displays do tipo LCD (Display de Cristal Líquido) ou (Liquid Crystal Display).

O display do tipo LCD utilizado é o de duas linhas e dezesseis caracteres conhecido como de 2 x 16, o 2 indica duas linhas e o 16 indica dezesseis caracteres, assim podemos mostrar em seu visor duas palavras de até dezesseis letras ou números. É importante saber que na maioria das vezes não é possível enviar uma mensagem acentuada para o display como, por exemplo, (você), (não), (país), pois não há espaço para mostrar os acentos, nesse caso somos obrigados a ignorar os acentos e as palavras ficam: (voce), (nao), (pais).

Veja na figura a seguir o display LCD e o modulo serial I2C.

Figura 11: Display LCD e o modulo I2C. Fonte: Elaborado pelo autor
Figura 11: Display LCD e o modulo I2C. Fonte: Elaborado pelo autor

O modulo serial I2C utilizado para ligação de display com arduino, diminui o número de pinos usadas do arduino onde ele só utiliza dois pinus analógicas o pino 4 (DAS) e o pino 5 (SDL) e além dos pinus GND e VCC 5 Volts. Sem este modulo teria que utilizar 6 portas digitais do arduino, facilitando assim também a montagem do display no projeto. O custo destes dois componentes saiu 30,00R$ (trinta reais)

2.13 PROTOBOARD

A protoboard ela é ferramenta indispensável para aplicação deste projeto, pois além da facilidade de ligação dos equipamentos ela uni sem precisar solda-los, dando a possibilidade de montar e desmontar como se fosse um quebra cabeça, porém com um grande diferencial, possibilita ao usuário o poder da criação. É chamada também de matriz de contato pode possuir milhares de furos, podendo as placas variar de tamanho.

Não existe só uma forma de montar um circuito na protoboard, mas deve ser respeitado as conexões contidas no esquemático.

Figura 12: Protobord. Fonte: Elaborado pelo autor
Figura 12: Protobord. Fonte: Elaborado pelo autor

Acima está montado a plataforma microcontrolador Arduino Uno, dois reles que controlam a eletroválvula e a elétrobomba, display com o modulo seial I2C, sensor ultrassônico, todos conectados na protoboard.

2.14 Logica Do Projeto.

Este sistema funciona da seguinte forma. Lê os níveis dos reservatórios, informa no display e faz as seguintes operações. Se nível do Reservatório2 estiver acima de 20% e nível do Reservatório1 abaixo de 100% então ligara a eletrobomba para abastecer Reservatório1. Se o nível de água do reservatório1 estiver abaixo de 70% e reservatório2 abaixo de 20% ele irá abrir a válvula solenoide. Este fluxo é a base do sistema. Ele também informara possíveis falhas, como: falha na bomba, se está ligada ou desligada; falha na válvula se está aberta ou fechada.

2.15 Código Do Projeto.

O código do projeto foi feito no software do arduino, onde estará toda logica de funcionamento do projeto. Abaixo segue imagem do IDE do arduino. Este software é gratuito se encontra disponível no site https://www.arduino.cc/en/Main/Software.

Figura 13: Software do arduino. Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 13: Software do arduino. Fonte: Elaborado pelo autor.

Conclusão

Através deste estudo mostro uma experiência única, pois possibilito o desenvolvimento do estudo de modo cientifico e prático, ou seja, através do conhecimento proponho um projeto viável apresentando de um sistema de controle de nível com o uso do arduino, possibilitando a melhoria da qualidade de vida das pessoas, no sentido de economia e também oferecendo oportunidade de desenvolvimento moral, social, intelectual. Fazendo com que as pessoas cuidem melhor de seu meio ambiente.

Os objetivos específicos, foi criado um protótipo do projeto em que controla os níveis de água de 2 reservatórios, informando ao usuário os níveis dos mesmos, possíveis falhas dos atuadores, como eletroválvula e eletrobomba no display e usando uma plataforma microcontrolador arduino.

A ideia geral é utilizar as tecnologias a favor da humanidade e para gerenciamento do nosso ambiente fazendo a implementação de forma prática. Precisa-se fazer novas investigações referente de como fazer o tratamento dessa água, mas como a ideia geral é a utilização da tecnologia.

Referências

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