Novo sensor que pode ajudar a medir poluição de rios urbanos é desenvolvido no ICMC

Equipamento tem menor custo em relação aos já existentes no mercado

Analisar a qualidade das águas de rios urbanos medindo seus níveis de poluição é a ideia da pesquisa desenvolvida no Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos. No trabalho, foi criado o protótipo de um sensor capaz de medir o quão turva está a água e enviar as informações para as autoridades interessadas. Em conjunto com outros dados, o nível de turbidez pode ser um indicativo de poluição das águas, ajudando, por exemplo, a identificar quais rios possuem maiores chances de sofrerem com enchentes. 

O equipamento começou a ser desenvolvido no início de 2012 e foi construído com tubos de PVC reforçados, um emissor infravermelho, um receptor, cabos coaxiais para comunicação dos sensores e uma placa Arduino. Essa placa processa os dados obtidos e os envia para estação base de controle através de um dispositivo eletrônico chamado ZigBee, que usa redes sem fio de comunicação. “Buscamos produzir um protótipo eficiente e de baixo custo, frente a diversos sensores já existentes no mercado internacional, chegando a ficar 100 vezes mais em conta em relação aos importados”, revela o coordenador do projeto, Jó Ueyama. 

O protótipo possui duas extremidades – de um lado está localizado o emissor infravermelho e do outro o receptor. O fluxo de água do rio passa pelo interior do cano, entre os dois sensores. Quanto mais turva a água, menor será a incidência de luz infravermelha no receptor. A partir dessa fração de luz recebida, o sensor é capaz de estipular o nível de turbidez do rio, ou seja, avaliar sua transparência.

Ueyama: "Buscamos um protótipo
eficiente e de baixo custo"

Histórico – O trabalho é resultado do projeto de iniciação científica de Alexandre Colombo, graduado em engenharia elétrica pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), e de Pedro Henrique Fini, aluno do curso de engenharia de computação, oferecido conjuntamente pelo ICMC e pela EESC.

O projeto, orientado pelo professor Ueyama, é uma extensão do sistema e-NOE, que começou a ser desenvolvido pelo docente em 2010 com o objetivo de monitorar enchentes em rios urbanos. O novo sensor de turbidez será incorporado ao sistema que já possui um outro dispositivo capaz de medir a pressão da água do rio. “A grande vantagem do novo sensor é a facilidade com que ele pode ser desenvolvido, pois os componentes utilizados são mais baratos e podem facilmente adquiridos. Consequentemente, pode-se proporcionar uma tecnologia nacional para monitorar os nossos rios”, explica Ueyama.

O novo equipamento já passou pela fase de testes e se mostrou eficiente. Entretanto, o professor explica que ainda é preciso aprimorar a calibragem do sensor para aumentar a precisão do turbidímetro, aparelho que mede a turbidez de um líquido. O docente já solicitou verbas para a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) para a continuidade da pesquisa.

Reconhecimento – O trabalho Usando redes de sensores sem fio para monitorar a poluição de rios urbanos foi o vencedor do Prêmio Jequitibá de Relevância em Pesquisa Ambiental, que estimula a pesquisa desenvolvida por alunos de graduação e de cursos técnicos em busca de soluções inovadoras para a conservação e preservação ambiental. A premiação aconteceu durante o Festival Cultivar de 2015.

Texto editado em 20/1/2016 - A turbidez é uma propriedade física de um líquido que se traduz na redução da sua transparência devido à presença de matérias sólidas em suspensão que interferem com a passagem da luz. Essas matérias podem ser de origem orgânica ou inorgânica, causadas por elementos naturais (por exemplo, o próprio solo) ou artificiais (resíduos provenientes de atividade industrial e do lançamento de esgoto sem tratamento, por exemplo). Alguns rios podem possuir naturalmente águas turvas, porém não necessariamente poluídas. No caso da tecnologia desenvolvida no ICMC, o nível de turbidez medido pelo protótipo pode ser utilizado, juntamente com outros sensores, para prover um indicativo de poluição. Para constatar que a água está poluída, seriam necessários outros tipos de análise.

Texto: Henrique Fontes - Assessoria de Comunicação ICMC/USP

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Pesquisa desenvolvida no ICMC é destaque no Jornal Nacional

Reportagem mostrou como funciona a tecnologia que está sendo desenvolvida há quatro anos

Professor Gustavo Batista explica como funciona o sensor (assista à reportagem)

Identificar automaticamente um mosquito pelo barulho que ele faz é a proposta do projeto coordenado pelo professor Gustavo Batista, do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos. A pesquisa foi destaque na última edição do Jornal Nacional, exibida sábado, 12 de dezembro.

O desafio mobiliza o professor há cerca de quatro anos e os esforços já resultaram na criação de um sensor capaz de identificar, com uma acurácia de mais de 90%, as espécies e o sexo dos insetos. Isso é muito importante no caso do Aedes aegypti, em que apenas as fêmeas são vetores de doenças como a dengue, a zyka e a chikungunya. “Nossa meta, agora, é transformar esse sensor em um produto eletrônico: uma armadilha inteligente que possa ser comercializada”, diz Batista. 

Na semana passada, o projeto para construir o protótipo da armadilha foi aprovado no 3º ciclo do Programa Pesquisa Inovativa em Pequenas Empresas (PIPE) da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP). O doutorando do ICMC Vinícius Souza coordenará a iniciativa e abrirá uma empresa para produzir o protótipo, tendo à disposição até R$ 200 mil nessa primeira fase.

Segundo Batista, a futura armadilha possibilitará à população realizar a contagem dos mosquitos em tempo real. Dessa forma, será viável conectar o equipamento à internet, possibilitando que os dados obtidos pelas armadilhas gerem mapas de controle para os órgãos públicos. Também será possível criar aplicativos para alertar e orientar a população no combate ao Aedes. Desenvolver esses aplicativos é o foco de outro doutorando do ICMC, André Maletzke, bolsista do Google.

Histórico do projeto - A pesquisa teve início em 2011, quando o professor Batista estava fazendo seu pós-doutorado na Universidade da Califórnia, em Riverside, nos Estados Unidos. Nessa época, o Laboratório de Inteligência Computacional (LABIC) do ICMC estabeleceu uma parceria, que dura até hoje, com pesquisadores da universidade norte-americana.

Naquela época, o trabalho foi financiado pela FAPESP e pela Fundação Bill and Melinda Gates, cujo objetivo é apoiar pesquisas altamente inovadoras. Na ocasião, o objetivo dos pesquisadores era criar um sensor específico para os vetores da malária. Hoje, ainda com financiamento da FAPESP, o trabalho conta com a colaboração da professora do ICMC Solange Rezende, além do professor da Universidade da Califórnia, em Riverside, Eamonn Keogh, e do fundador e presidente da Isca Technologies, Agenor Mafra-Neto. Também colaboraram para a pesquisa os seguintes alunos e ex-alunos do ICMC: Diego Silva, Denis dos Reis, Cristiano Lemes e Luan Soares. Além dos doutorandos norte-americanos Yanping Chen, Adena Why, Moses Tataw, Bing Hu e Yan Hao. O professor Gustavo Batista também faz parte do Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI). 

Texto: Denise Casatti - Assessoria de Comunicação ICMC/USP

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Reportagem do Jornal Nacional: icmc.usp.br/e/a7e36

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Modelo criado no ICMC faz reconhecimento automático de espécies de inseto e pode ser aplicado a várias áreas do conhecimento

Doutorando já conquistou dois prêmios com trabalho que combina técnicas de processamento de sinais e aprendizado de máquina para construir modelos úteis em áreas tão diversas quanto a saúde pública, o reconhecimento de fala e o processamento de música

Diego (à esquerda) foi orientado por Gustavo Batista no mestrado

Quem nunca foi perturbado, no meio de uma noite de sono, pelo zumbido irritante e característico de um inseto? Esse som da batida das asas é a chave para que os pesquisadores possam identificar um inseto. Ensinar o computador a reconhecer esse som e a classificar automaticamente as espécies foi o desafio que mobilizou Diego Silva durante seu mestrado no Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos. 

O método criado por Silva já está sendo aplicado em um sensor e uma armadilha que poderão contribuir para combater a dengue, a malária e diversas pragas agrícolas em um projeto coordenado pelo professor Gustavo Batista, do ICMC, que foi orientador de Silva durante o mestrado. A novidade é que, além dessa aplicação, há diversas outros campos em que os métodos estudados podem ser empregados como no reconhecimento de fala, no processamento de música ou na obtenção de informações em dados numéricos que variam com o tempo, conhecidas como séries temporais. 

Um bom exemplo disso são os trabalhos gerados em um estágio sanduíche no exterior realizado por Diego na Columbia University, sob a supervisão do pesquisador Daniel Ellis, entre fevereiro e julho de 2013, quando recebeu uma Bolsa Estágio de Pesquisa no Exterior da FAPESP. Em um desses trabalhos, os pesquisadores propuseram uma técnica para encontrar músicas semelhantes a uma canção consultada, obtendo resultados melhores que o estado-da-arte. Com uma técnica semelhante, puderam classificar séries temporais geradas a partir de batimentos cardíacos, movimento humano, formas de objetos, entre outros.

Dois sinais produzidos por um violino e por um piano: muito similares no 
domínio temporal, mas muito diversos no domínio de frequências

Para alcançar seu objetivo, Diego estudou uma série de técnicas para extrair características do som. Dessa forma, ele conseguiu obter uma ferramenta capaz de selecionar as informações relevantes, excluindo ruídos e transformando o que eram apenas sinais sonoros em uma série de características descritivas do sinal. A ferramenta reconhece os atributos específicos de cada uma das espécies de inseto e as identifica. É como se atribuíssemos, por exemplo, o número 1 ao batimento das asas da abelha e o número 2 ao batimento das asas do Aedes aegypti. Esses números são o ingrediente-chave para ensinar o computador a identificar cada espécie. 

O modelo criado também é capaz de reconhecer os diferentes sexos dos mosquitos. Isso é muito relevante, pois no caso de doenças como a dengue, apenas as fêmeas são vetores da doença. “Nosso sistema de classificação conseguiu obter uma acurácia de 96,1% na correta identificação das espécies e sexo desses insetos”, explica Batista. 

Silva conta que, no início do projeto, não sabia qual técnica funcionaria melhor para a classificação automática dos insetos, por isso, precisou explorar diversos métodos e algoritmos de outras áreas para ver qual alcançava os resultados mais satisfatórios. “Chegamos à conclusão de que os atributos utilizados em reconhecimento de fala eram os que funcionavam melhor”, diz Silva. Esses atributos são os mesmos empregados por sites como o Google, por exemplo, para reconhecer o que diz um internauta.

Reconhecimento – A dissertação de mestrado de Silva (Classificação de séries temporais por similaridade e extração de atributos com aplicação na identificação automática de insetos) conquistou a segunda colocação no 28º Concurso de Teses e Dissertações do 35º Congresso da Sociedade Brasileira de Computação, realizado em Recife entre os dias 20 e 23 de julho. Além disso, obteve também o terceiro lugar no Concurso de Teses e Dissertações em Inteligência Artificial e Computacional (CTDIAC) do Encontro Nacional de Inteligência Artificial e Computacional (ENIAC) e do Brazilian Conference on Intelligent Systems (BRACIS), realizados em outubro do ano passado em São Carlos. 

“O trabalho de Silva resultou em mais de 10 artigos científicos em diferentes áreas, o que é um índice bastante relevante para um mestrado”, ressalta Gustavo. No momento, Silva prossegue com suas investigações no campo da inteligência artificial e do aprendizado de máquina em seu doutorado no ICMC, também com bolsa da FAPESP.

Texto: Denise Casatti – Assessoria de Comunicação do ICMC/USP

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Tecnologia inovadora desenvolvida no ICMC contribui para combater dengue, malária e pragas agrícolas: icmc.usp.br/e/f6415

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Tecnologia inovadora desenvolvida no ICMC contribui para combater dengue, malária e pragas agrícolas

Sensor e armadilha inteligentes criados por pesquisadores possuem baixo custo e podem ser aplicados para resolver problemas da saúde pública e da agricultura

Como a inteligência artificial pode ajudar na luta contra insetos que causam doenças e pragas agrícolas? Uma pesquisa do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, contribui para responder essa questão. Os pesquisadores desenvolveram uma tecnologia inovadora capaz de identificar quantos e quais mosquitos estão em determinada área por meio do reconhecimento automático das espécies, a fim de combater os efeitos nocivos dos insetos.

Financiada atualmente pela FAPESP, a pesquisa resultou no desenvolvimento de dois principais produtos: um sensor e uma armadilha, que devem contribuir para a saúde pública e a agricultura, combatendo pragas agrícolas e insetos vetores de doenças em determinada região, sem prejudicar espécies benéficas, como abelhas, por exemplo. A tecnologia desenvolvida possui, ainda, potencial para ser amplamente comercializada, devido ao baixo custo de produção.

Batista: "Sensor identifica onde o inseto está em tempo real"

A armadilha representa um avanço tecnológico em relação às que existem hoje. “Para medir a densidade dos insetos que há numa região, por exemplo, já existe uma armadilha não seletiva, ou “armadilha adesiva”, como é mais conhecida. O problema é que ela acaba capturando tudo, inclusive insetos que não precisariam ser capturados”, contou o coordenador da pesquisa, Gustavo Batista.

Os pesquisadores acreditam que essa tecnologia seja eficaz, principalmente, no combate aos mosquitos de gênero Anopheles, vetores da malária, e aos mosquitos do gênero Aedes, vetores da dengue e da febre amarela. “Durante as campanhas de prevenção da dengue, é comum os agentes percorrerem bairros nos quais as pessoas foram diagnosticadas com dengue, entrando nas casas em busca de locais em que os mosquitos podem se reproduzir ou com a finalidade de pulverizar inseticida”, explicou Batista. “Entretanto, existe um grande hiato entre o momento em que a pessoa foi contaminada pela doença e o momento em que a campanha é feita. Esse hiato pode ser de apenas algumas semanas, mas isso representa mais do que o tempo de vida de um mosquito adulto. A vantagem do sensor é que ele permite identificar onde o inseto está em tempo real”, completou o professor.

Como funciona o sensor

Como podemos observar na figura acima, o sensor a laser usado para identificação dos insetos funciona da seguinte forma: ao atravessar a luz emitida pelo laser, as asas do mosquito impedem, parcialmente, a passagem da luz e, por estarem em movimento, causam pequenas variações, que são captadas pelos fototransistores. Essas variações são filtradas, amplificadas e gravadas por meio de uma placa eletrônica de circuito.

Cada espécie analisada produz um sinal ligeiramente diferente da outra, o que possibilita aos pesquisadores compararem, computacionalmente, os sinais de cada uma, identificando as diferentes espécies. Os sinais obtidos pelo sensor são bastante similares a sinais de áudio. A diferença é que os dados obtidos não são originários de variação nas ondas sonoras, mas sim da variação da luz. A vantagem disso é que o sensor é totalmente surdo para qualquer agente que não atravesse a luz do laser, portanto, não sofre interferência externa, como sons de pássaros, carros ou ruído dos aviões.

Um fator adicional importante do sistema é que sua produção tem um custo muito baixo. “É possível produzir o sensor investindo-se cerca de R$ 30, por isso, o equipamento pode ser amplamente comercializado”, disse o professor.

Além dos mosquitos da dengue e da malária, a pesquisa também coletou dados e criou sistemas de reconhecimento automático para as seguintes espécies: mosca-de-banheiro, mosca-da-fruta, mosca doméstica, joaninha, besouro, abelha, entre outros. O trabalho mostrou, ainda, que é possível diferenciar mosquitos vetores de doenças dessas outras espécies com uma percentagem de acerto entre 98 e 99%.

Como funciona a armadilha inteligente

Primeiramente (1), o inseto precisa ser atraído para a armadilha. Batista explica que, para isso, pode-se usar um atrativo como o dióxido de carbono, substância capaz de atrair as fêmeas de mosquitos: “Quando um mosquito se aproxima da entrada do dispositivo, ele é puxado pelo fluxo de ar em direção ao sensor a laser, já que existe um pequeno ventilador acoplado à armadilha”.

Depois de entrar na armadilha (2), o inseto passa pela luz do laser emitida pelo sensor, tal como explicado anteriormente. A diferença é que, no caso da armadilha, há uma porta (3) que pode capturar o inseto ou deixá-lo sair, dependendo da avaliação que será feita pelo sensor (4).

“É o sensor que vai decidir se prende ou solta o inseto. Se o inseto fica preso, o ar o empurra para uma segunda câmara, onde é retido pelo papel adesivo”, completou o pesquisador. Dessa forma, na armadilha inteligente, ficam grudados no papel apenas os insetos desejados, o que possibilita estimar com facilidade sua densidade populacional.

Para tornar o sensor capaz de decidir qual espécie deve ser capturada e qual deve permanecer livre, é preciso empregar técnicas de aprendizado de máquina. Entra em campo a inteligência artificial. 

“O sensor pode classificar qualquer espécie de inseto, para isso é necessário que sejam coletados exemplos das espécies desejadas”, considerou o mestrando do ICMC, Diego Furtado Silva, um dos pesquisadores do projeto. Ele explica que, com esses exemplos, são obtidos dados sobre cada espécie, os quais fornecem um conhecimento prévio a respeito de como funciona o batimento das asas de cada uma. Assim, é possível desenvolver algoritmos (sequências de comandos em um computador), possibilitando ao sensor reconhecer quando é o momento de capturar uma espécie e quando é o momento de dispensá-la.

Iniciativa e resultados - A pesquisa teve início em 2011, quando o professor Batista estava fazendo seu pós-doutorado na Universidade da Califórnia, em Riverside, nos Estados Unidos. Nessa época, o Laboratório de Inteligência Computacional (LABIC) do ICMC estabeleceu uma parceria, que dura até hoje, com pesquisadores da universidade norte-americana.

Naquela época, o trabalho foi financiado pela FAPESP e pela Fundação Bill and Melinda Gates, cujo objetivo é apoiar pesquisas altamente inovadoras. Na ocasião, o objetivo da pesquisa era criar um sensor específico para os vetores da malária. Segundo dados da Fundação, a doença ocorre em cerca de 100 países em todo o mundo. Estima-se que 207 milhões de pessoas sofreram com a doença em 2012, e aproximadamente 627 mil morreram.

Hoje, ainda com financiamento da FAPESP, o trabalho conta com a colaboração da professora do ICMC Solange Rezende, além do professor da Universidade da Califórnia, em Riverside, Eamonn Keogh, e do fundador e presidente da Isca Technologies, Agenor Mafra-Neto. Também colaboraram para a pesquisa os seguintes alunos do ICMC: o doutorando Vinícius Souza, e os mestrandos Denis Reis, Cristiano Lemes e Luan Soares. Além dos doutorandos norte-americanos, Yanping Chen, Adena Why, Moses Tataw, Bing Hu e Yan Hao. 

Texto: Ronaldo Castelli – Assessoria de Comunicação ICMC/USP

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Site do LABIC: http://labic.icmc.usp.br/

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