Monitoramento de Umidade e Temperatura para

Automação de Irrigação com Rede de Sensores Sem

Fio para Smart Grids e Smart Cities

Fabiana da Silva Podeleski; Everton Dias de Oliveira; Ângela Alves dos Santos; Luiza Higino; Ricardo Dantas Dematte,

Lia Toledo Moreira Mota; Alexandre de Assis Mota.

Pontifícia Universidade Católica de Campinas, CEATEC, Campus I, Rod. Dom Pedro I, Km 136, CEP 13086-900, Campinas,

São Paulo, Brasil; E-Mails: podeleski@yahoo.com.br; amota@puc-campinas.edu.br.

Abstract — Este trabalho sintetiza a documentação do projeto

“Rede Sensor Sem Fio (WSN – Wireless Sensor Network) para

Monitoramento de Umidade e Temperatura de Solo”,

desenvolvido na PUC-Campinas com objetivo de gerenciar e

atuar sobre um Sistema de Irrigação em Smart Grids, permitindo

ao usuário uma solução de controlar racionalmente o volume de

água empregado, evitando desperdícios com recursos híbridos e,

consequentemente, elétricos. A rede é composta por componentes

de hardware destinados a medição de temperatura e umidade,

respectivamente Therm200 Temperatura Sensor Probe e VH400

Soil Moisture Sensor Probe, ambos aplicados diretamente no solo,

módulos de comunicação Radiuino componentes do kit DK 103 e

DK 104, emulação de sistema de controle e acionamento de

irrigação feitos por sistema supervisório, ScadaBr, usado um rele

de acionamento presente no kit DK para uma bomba de agua.

Como caracterização de rede, a comunicação se estabeleceu por

espectro livre (ISM) de 915 MHz. As atividades estão divididas

em duas etapas: calibração de componentes transdutores

(ambiente controlado) e ajustes de sistema de comunicação sem

fios, definição de parâmetros de software supervisório para

requisição, recuperação e apresentação de dados; atividades de

implantação do sistema em ambiente real outdoor e

implementação de funcionalidades no ScadaBr para acionamento

remoto de sistema de irrigação. Os resultados referentes os

transdutores apresentaram um tempo de resposta em ms, com

precisão de +-3% para umidade e de 1,5% de temperatura

quando empregado o método de comparação com medidores

comerciais.

Keywords—Rede Sensor Sem Fio, Sensor de Temperatura e

Umidade, Automação de Sistemas de Irrigação, supervisório

ScadaBr, Eficiência em Sistema Hídricos.

I. INTRODUÇÃO

A expansão das cidades e alta densidade de centros

urbanos requer que a sociedade faça uso de forma consciente

dos recursos disponíveis nesses ambientes [1, 9]. No passado,

era possível falar-se em áreas urbanas e outras puramente

agrícolas [2]; no entanto, o que se pode observar,

recentemente, é que as áreas se encontram muito próximas,

nas bordas limítrofes entre elas. Dessa forma, a demanda

mercadológica traz aplicações híbridas por se falar no

ambiente de aplicação, tanto para ambientes urbanos como

agrícolas [3].

Para administrar o volume considerado de demandas de

recursos da sociedade, são necessários meios eficientes para

seu uso, o que retrata uma dualidade antagônica entre redução

de custos e diminuição de impactos ambientais. Uma dessas

duas diretrizes pode servir de orientação, seja mercado ou

conscientização. Os sistemas de monitoramento permitem que

as cidades passem a ser organismos vivos uma vez que elas

apresentam um escopo de características que podem ser

medidas e avaliadas.

O uso de Redes Sensores Sem Fios pode atender a

diferentes configurações de ambientes, dada a sua

flexibilidade de implantação bem como as ferramentas de

software disponíveis em formatos diferentes. A comunicação

sem fio permite alcançar locais e obter informações em tempo

praticamente on line para entender a envoltória e atuar com

eficiência [1].

Resgatando a questão tecnológica, novos recursos são

introduzidos a fim de que se domine o ambiente de aplicação

nos meios em geral, urbano ou agrícolas, e, além disso,

permitir intervenções nesse local. O solo é essencial

componente [2], se não o mais relevante, alicerce de todos os

centros produtivos. Entender o que está ocorrendo com ele e

permitir que se façam intervenções quando necessárias,

alterando suas propriedades, é fundamental em qualquer

envoltória social.

Esse documento tem como proposta uma solução de rede

sem fio aplicável em diferentes ambientes para medição de

grandezas físicas umidade e temperatura – ambas no solo –,

encaminhamento a plataforma de software para seu tratamento

de dados e apresentação de informações em interface ao

usuário, associada ao sistema decisório em que, dados os

valores coletados, e aplicação de regras de negócio pré-

estabelecidas, ocorra o acionamento de sistema de irrigação,

contribuindo para povoar elementos de uma base de smart

cities.

O conceito de Smart City está ligado diretamente com

agendas de sustentabilidade uma vez que foca no uso eficiente

de recursos, mobilidade e serviços [8]. A sociedade ainda se

encontra em desenvolvimento de implementações

tecnológicas, o que permite um vasto campo de aplicação,

dentro de determinados níveis e integráveis por meio de

Tecnologias de Informação e Comunicação (ou TCIs).

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O denso crescimento populacional nos grandes centros e o

modelo de urbanização mundial em função de diferentes

motivadores é uma tendência também no Brasil, o que faz com

que alguns desafios sejam enfrentados, principalmente em

áreas onde ocorre crescimento populacional desordenado, tais

como: energia, transporte público, saúde, água e educação,

dentre outros.

II. MATERIAIS E MÉTODOS

O desenvolvimento do trabalho compreendeu duas etapas,

sendo a primeira voltada para o desenvolvimento e proposta de

implantação de uma Rede Sensor Sem Fios para capturas de

grandezas de umidade e temperatura de solo; e a segunda, dada

pela proposta de hardware para acionamento de uma bomba de

irrigação.

A “Fig. 1” representa em blocos todos os elementos

componentes do sistema proposto, apresentados em dois

blocos: Sensor e Sistema Supervisório. O Sensor deve ser

entendido como um conjunto de funcionalidades composto por

transdutores (temperatura e umidade de solo), hardware

dedicado com projeto eletrônico e de firmware específico para

os componentes nele conectado, além de relés para

acionamento de motor de irrigação e transceptor A [4]

(módulo BE900 do Radiuino). O Sistema Supervisório –

ScadaBr [5] - corresponde a todas as tratativas dada as

informações e tomadas de decisão, abrangendo coleta e

tratamento de dados, armazenamento e aplicação de regras de

negócio implementadas no software para índices de umidade e

temperatura de solo, além de tomada de decisão para

acionamento de sistema de irrigação. Elementos energizados

por rede elétrica 110/220 [V].

Figura 1 – Sensor e sistema supervisório

Essa metodologia não contempla estudos sobre caracterização

do solo empregado na aplicação e volume de água empregado

pelo sistema de irrigação.

A. Umidade de solo

O elemento responsável pela amostragem de grandeza umidade em sinal elétrico é VH400 Soil Moisture Sensor Probe, do fabricante Vegetronix [7], indicado na “Fig. 2”.

Figura 2 - VH400 Soil Moisture Sensor Probe (www.vegetronix.com, 2013)

Esse componente efetua a amostragem da umidade do solo, apontando seus valores de saída com níveis de tensão entre 0 e 3[V]. À medida que ocorre variação dos níveis de umidade em ambiente de aplicação, esses valores estão suscetíveis a medição pelo sensor em questão, com especificações técnicas apresentadas na “Fig. 3”.

Figura 3 - Especificações do VH400 (www.vegetronix.com, 2013)

a. Calibração e testes em ambientes controlados

Para execução do teste dos sensores de umidade de solo foram empregadas duas unidades do sensor VH400 para coleta de valores de umidade de solo. A primeira situação de testes foi com sensores saturados [7], conforme indicado na “Fig. 4”; umidade de 0% equivale a 0[V] bem como 100% corresponde a 3[V]. Como elemento de calibração referência foi empregado medidor, adquirido junto ao fabricante, a fim de aferição dos valores dos transdutores empregados no Radiuino.

Figura 4 – Calibração e saturação de sensores VH400

Estimou-se o solo empregado pela composição de 75 a 80[%] arenoso, e restante de material orgânico, materiais que facilitam o escoamento da água.

B. Temperatura de solo

O elemento responsável pela amostragem de grandeza temperatura em sinal elétrico é o Therm200 Soil Temperature Sensor Probe, também do fabricante Vegetronix [7], indicado na “Fig. 5”.

Figura 5 - Therm200 Soil Temperature Sensor Probe (www.vegetronix.com, 2013)

O sensor de temperatura de solo THERM200 atinge amplitude de -40 [°C] a 85 [°C]. As amostragens feitas são reproduzidas em tensão linearmente uniforme a temperatura, conforme datasheet do componente [7], com resolução apresentada de 0.125 [°C]. Foi empregada a mesma referência de tensão do Radiuino, operando com 3.3[V], com limítrofes de saída em tensão de 0 a 3[V]. dados de fabricante na “Fig. 6”.

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Figura 6 - Especificações do Therm200 (www.vegetronix.com, 2013)

C. Testes em ambiente de aplicação de componentes

Os componentes transdutores de umidade de temperatura de solo estão introduzidos no mesmo local, senso assim com características de solo semelhantes, ambiente outdoor, conforme o ambiente apresentado nas “Fig. 7 e 8”, introduzidos a 18 / 20 [cm] no solo.

Figura 7 – Ambiente de aplicação dos 2 sensores de umidade (vermelho) e 1 de temperatura (azul)

Figura 8 – Componentes cobertos pelo solo

D. Sistema Supervisório

O software empregado para funcionalidade de gestão é

ScadaBr, dada a facilidade de implementação por ter

implementada a biblioteca necessária do módulo Radiuino e

custo.

Ele compreende a funcionalidade de requisição de dados

aos elementos sensores da rede, que por sua vez efetua a

amostragem das grandezas, e responde a ele - Sistema

Supervisório - com o intervalo de 10[s]. Os dados são tratados

pelo software para retorno de dados de umidade relativa em

percentagem [%] e temperatura em [°C]; esses dados são

armazenados em base disponível no ScadaBr e servem de

subsídio ao acionamento de sistema de irrigação. Foram

adotados componentes analógicos com tratamento de

informações feitas por software, com técnica de média móvel,

a fim de descartar possíveis erros aleatórios nas medidas.

Para sistema de irrigação está simulado em ferramenta de

software ScadaBR, uma vez que a base de informações

coletada pelos sensores alimenta a base de dados para tomada

de decisão de acionamento.

III. RESULTADOS

A. Sensores – Calibração

Os valores obtidos em dados medidos em testes de calibração e com medidor comercial estão apresentados na “Tabela 1”.

Tensão (V) Umidade (%) Tensão (V) Umidade (%)

0,000 0,00 0,000 0,00

0,940 9,00 1,020 9,00

1,180 10,00 1,120 10,00

1,450 20,00 1,400 20,00

1,920 31,00 1,650 31,00

2,003 40,00 1,820 40,00

2,168 50,00 2,210 50,00

2,239 61,00 2,380 61,00

2,361 71,00 2,550 71,00

2,486 80,00 2,700 80,00

2,652 91,00 2,860 91,00

2,874 97,00 2,960 97,00

PLACA DK103 MEDIDOR

Tabela 1 – dados de comparação da calibração do sensor de umidade de solo

E curva equivalente no “Gráfico 1” pelo medidor e “Gráfico 2” pela placa DK103.

Gráfico 1 – curva característica de saturação do sensor de umidade em valores medidos pelo medidor

Gráfico 2 – curva característica de saturação do sensor de umidade em valores medidos no sensor desenvolvido

Os valores obtidos em testes de calibração foram ajustados em hardware com relação aos valores referências dados pelo medidor comercial, realizados os devidos valores de off set. Precisão em torno de 3[%], sem tratamento devido.

O “Gráfico 3” indica a curva comparativa entre os dois transdutores de umidade. Valores ajustados por software e representam um recorte de intervalo de tempo maior.

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Gráfico 3 – Comparação entre dois transdutores de umidade [%]

O “Gráfico 4” indica a variação de temperatura em dados intervalo de tempo, valores referência obtidos por medidor modelo do fabricante do transdutor.

Gráfico 4 - Medidas de Temperatura [ºC]

A “Fig. 9” representa a interface final empregada para apresentação de dados ao usuário e ferramentas gerenciais ao sistema de irrigação.

Essa proposição de escopo de hardware e ferramentas de software apresentaram-se como uma solução viável para aplicações de gerenciamento de recursos hídricos e consequentemente elétricos para aplicações em meios urbanos por uso de interfaces de rede comumente empregadas pela sociedade, compondo conceitos de smart grid e amplamente aplicável a smart cities.

Figura 9 – Interface de apresentação de dados ScadaBr

IV. CONSIDERAÇÕES

Com o intuito de estudar e fornecer ao mercado um controle com dispositivos elétricos para monitoramento de umidade, temperatura e possibilidade de acionamento de

sistema de irrigação, a proposta de projeto se mostrou satisfatória, uma vez que as medidas estavam plenamente calibradas, e alinhadas com o componente medidor de fabricante.

O conceito de uma solução de rede sem fio ainda é o mais viável para cenários produtivos, principalmente no que tanger ambiente outdoor. A proposta apresentada para sistema de irrigação serve como um protótipo onde o acionamento da bomba representa o acionamento de um sistema de irrigação, dadas as suas proporções. A transmissão de dados com definição de tempo permite ao usuário do sistema intervenção em tempo muito próximo do real para reduzir os impactos causados pela ausência de agua à planta.

No entanto, de todas as considerações mencionadas, a de

maior relevância é a de que apesar de o projeto proposto poder

ser aferido quanto a qualidade de componentes empregados,

robustez da rede, é que necessita de interdisciplinaridade entre

os diferentes setores que envolvem questões de smart cities,

pois a Rede Sensor Sem Fio proposta se aplica facilmente a

outras medidas de grandezas físicas, bem como acionamentos

feitos de forma remota por centrais distribuídas nos centros

urbanos.

V. AGRADECIMENTOS

Os autores registram agradecimentos ao grupo de Eficiência Energética Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Infraestrutura Urbana da PUC-Campinas, e à Pontifícia Universidade Católica de Campinas pelo uso de recursos e estímulo à pesquisa, além da CAPES e do CNPq pelo apoio financeiro na forma de bolsas em seus programas PROSUP, PIBIC e PIBITI, concedidas aos participantes do grupo.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] http://www.ibm.com/smarterplanet/br/pt/smarter_cities/ overview/, site acessado em 21 de Outubro de 2015.

[2] http://www.abag.com.br/index.php?mpg=04.00.00&acao= ver&id=331&pg=0, site acessado em 28 de Novembro de 2013.

[3] http://www.agricultura.gov.br, acessado em 16 de Dezembro de 2013.

[4] http://radioit.com.br/, site acessado em 17 de Outubro de 2015.

[5] http://www.scadabr.com.br/, site acessado em 17 de Outubro de 2015.

[6] http://www.agr.feis.unesp.br/csei.pdf, site acessado em 10 de novembro de 2013.

[7] http://www.vegetronix.com/, site acessado em 18 de Outubro de 2015.

[8] http://www.telesintese.com.br/, site acessado em 14 de Novembro de 2015.

[9] Mota, L.; Mota, A.; Coiado, L. Non-Destructive Current Sensing for Energy Efficiency Monitoring in Buildings with Environmental Certification. Sensors (Basel), v. 15, p. 16740-16762, 2015.

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