IMPLEMENTAÇÃO DE UM PROTÓTIPO ELETRÔNICO PARA REGISTROS

DIÁRIOS DE DADOS PLUVIOMÉTRICOS

João E. M. Perea Martins

Departamento de Computação – UNESP

Av. Luiz E. Coube 14-03, 17033-360, Bauru-SP, Brasil

+55 14 3103 6079. perea@fc.unesp.br

Palavras-chave: Pluviometria, Chuva, Coletor de Dados.

Titulo abreviado: Coletor de Dados Pluviométricos.

Abstract

This work describes the design of rainfall gauge data logger for daily recording. It

includes the rainfall gauge analysis, the data logger hardware design and the software

design for data transference between the data logger and a personal computer. It proves

that only microcontroller and accurate software techniques enable the design of a high

performance rainfall gauge data logger with few electronic components, low cost, and

low power consumption.

Resumo

Este artigo descreve o projeto de um coletor de dados pluviométricos para o registro

diário de chuvas. O trabalho inclui a análise de pluviômetros, o projeto de hardware do

coletor de dados e o projeto do software que faz a transferência dos dados entre o

coletor de dados e um computador. O trabalho prova que o uso de um único

microcontrolador e de precisas técnicas de software permitem o desenvolvimento de um

coletor de dados pluviométricos com poucos componentes eletrônicos, baixo custo e

baixo consumo de energia.

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1 INTRODUÇÃO

A medição de chuvas e o conseqüente registro dos dados podem ser utilizados

em diversas áreas como a meteorologia, a agronomia, a biologia, a construção civil, as

ciências ambientais, o ensino de ciências, etc. Isso torna este tema de amplo interesse

científico, comercial e educacional, o que justifica fortemente os esforços no

aprimoramento do mesmo.

Apesar da importância da pluviometria, ainda existem diversas regiões e países

onde os dados pluviométricos são escassos e onde a falta de recursos financeiros

dificulta a implementação de redes pluviométricas de alta densidade. Este problema

pode ser atenuado com o desenvolvimento de dispositivos tecnológicos de baixo custo

que viabilizem o seu uso em larga escala, principalmente em países mais pobres onde

estas informações poderiam melhorar a produtividade agrícola e a qualidade de vida

(Grimes, 1999; Hughes, 2006). Os avanços tecnológicos associados a dispositivos de

sensoriamento, aquisição de dados, armazenamento de informações e comunicação têm

permitido o desenvolvimento de equipamentos de pluviometria cada vez mais baratos,

no entanto, é preciso estabelecer um ponto ideal a fim de que se assegurem dispositivos

baratos, mas com um alto grau de desempenho (Williams, 1987; Leib, 2003; Riely 2006).

Além de facilitar a montagem de redes pluviométricas em locais com baixo nível

de informações sobre a ocorrência de chuvas, os coletores de dados pluviométricos

também podem ser muito úteis em países mais desenvolvidos, pois, além de auxiliarem

nas medições em locais específicos também podem gerar bases de dados para

complementarem informações pluviométricas originárias de radares e satélites (Grum,

2005; Hughes, 2006).

Este contexto motivou a pesquisa descrita neste artigo, onde a seção 2 discute a

metodologia utilizada no seu desenvolvimento e a seção 3 mostra os resultados obtidos,

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permitindo concluir que o trabalho atingiu os seus objetivos iniciais para o registro de

dados pluviométricos de forma eficiente e de baixo custo.

2 METODOLOGIA

A metodologia de desenvolvimento do coletor de dados pluviométricos,

apresentado neste trabalho, foi dividida em três etapas distintas, as quais incluem a

análise de pluviômetros, a definição das características operacionais e a implementação

do coletor de dados pluviométricos e, finalmente, o desenvolvimento de um software

para a transferência de dados entre o coletor e um computador.

2.1 A análise do pluviômetro

Existem diversos modelos de pluviômetros que permitem o registro das

medições através de processos manuais, de processos gráficos feitos por sistemas

eletromecânicos e de processos eletrônicos. Muitas vezes, as medições pluviométricas

devem ser realizadas por longos períodos de tempo e em regiões longínquas, de difícil

acesso, ou sob condições climáticas severas. Estas características criam casos que

podem ser considerados extremamente críticos para a utilização de processos manuais

ou eletromecânicos, incentivado o uso sistemas eletrônicos para o registro de medições

pluviométricas, pois estes sistemas têm diversas vantagens, como:

Podem operar ininterruptamente por vários meses;

Podem armazenar uma grande quantidade de registros pluviométricos;

Após a sua devida instalação não ficam sujeitos a erros humanos;

Apresentam um alto grau de confiabilidade.

Neste trabalho foi utilizado um pluviômetro do tipo basculante (tipping bucket),

o qual tem uma espécie de funil com uma área de captação que descarrega a

precipitação colhida sobre uma cuba basculante. Isso muda a posição de repouso da

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cuba em função da ocorrência de um determinado índice pluviométrico, que

normalmente é de 0,1 ou 0,2 mm. Este tipo de pluviômetro é dotado de um relê

magnético, que é momentaneamente fechado com a mudança da posição de repouso da

cuba, permitindo o envio de um pulso elétrico ao coletor de dados.

Embora todos os pluviômetros basculantes tenham o mesmo princípio de

operação, quando o seu relé magnético é fechado é automaticamente gerado um

determinado nível de ruído elétrico que pode, em muitos casos, ser problemático para o

coletor de dados. Como a proposta deste trabalho é que o coletor desenvolvido possa ser

diretamente acoplado a qualquer pluviômetro do tipo basculante, foi desenvolvida uma

rotina de software que tem a capacidade de filtrar este ruído e separar as informações

realmente úteis, sem nenhum componente adicional de hardware. Inicialmente foram

realizados vários testes de filtragem de ruídos em laboratório, utilizando diferentes

padrões de chaves de contato e de geradores de sinais. Posteriormente, para comprovar

a eficiência da técnica desenvolvida em ambiente real, foram utilizados dois modelos

diferentes de pluviômetros basculantes para os testes, que foram o modelo 7852M da

empresa Davis, com resolução de 0,2mm, e o pluviômetro modelo SPP/1-Hidrológica,

com resolução de 0,1.

2.2 O Coletor de Dados Pluviométricos

Inicialmente foram definidas as características que o coletor de dados

pluviométricos desenvolvido neste trabalho deveria ter, que são:

1. Pequena dimensão física;

2. Poucos componentes eletrônicos;

3. Baixo consumo de energia;

4. Uso de técnicas de software para gerenciamento direto do hardware;

5. Capacidade de processar informações realizando um pré-processamento;

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6. Alta capacidade para armazenamento de dados pluviométricos;

7. Uso de memória não volátil de dados, garantindo a integridade dos dados na

falta de energia elétrica;

8. Transferência de dados para um computador via interface serial;

Para o desenvolvimento de um projeto com as características especificadas

acima, foi escolhido o microcontrolador programável modelo PIC16F628, fabricado

pela empresa Microchip. Um microcontrolador programável é um componente

eletrônico que tem embutido um processador e diversas outras partes que compõem um

computador, como memórias, temporizadores, pinos de controle, etc. Apesar de terem

um desempenho relativamente inferior aos computadores convencionais, os

microcontroladores são extremamente eficientes para o desenvolvimento de projetos de

sensoriamento, aquisição de dados e automação que não exijam alta velocidade de

processamento, como no caso de coletores de dados pluviométricos. Além disso, os

microcontroladores programáveis têm a vantagem de apresentarem um alto grau de

confiabilidade e um custo muito baixo. A figura 1 mostra o primeiro protótipo do

coletor de dados pluviométricos sendo testado em laboratório.

Figura 1. Foto do primeiro protótipo do coletor de dados em laboratório.

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2.3 O software de comunicação

O sistema de aquisição de dados desenvolvido tem um software que permite a

comunicação entre o coletor de dados pluviométrico e um computador. Este software

foi estruturado para ser amigável e poder ser operado facilmente, sem a necessidades de

treinamentos específicos. As funções básicas deste software são enviar a data e a hora

para o coletor de dados, a fim de que o mesmo ajuste o seu relógio interno, e também

receber os dados pluviométricos originários do coletor de dados, gerando um arquivo

com os mesmos. É interessante ressaltar que o coletor de dados opera de forma

totalmente independente do computador, sendo conectado ao mesmo somente para a

realização de operações específicas.

3 RESULTADOS E DISCUSSÕES.

A tabela 1 mostra as principais características físicas obtidas no coletor de dados

pluviométricos desenvolvido neste trabalho, onde se pode constatar que as mesmas

atendem a todas as expectativas descritas no item 2.2

Parâmetro Descrição

Tamanho Físico Placa de circuito impresso com 43 x 56 mm.

Tensão de alimentação 3,6 V (originários de 3 pilhas)

Consumo típico de corrente 70 A

Tempo de operação continua 2 anos (com pilhas de 1300mA/H)

Capacidade de dados 128 registros pluviométricos (um por dia)

Transferência de dados Comunicação Serial

Caixa de Proteção O circuito eletrônico fica em uma caixa de proteção com IP55, altamente resistente a poeira e chuvas.

Tabela 1. Descrição das principais características do coletor de dados pluviométricos.

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Na versão final, o circuito eletrônico do coletor de dados foi montado em uma

placa de circuito impresso com 43 x 56 mm e foi instalado em uma caixa plástica com

medidas de 154 x 110 x 70 mm. A caixa utilizada tem um fator de proteção categoria

IP55, o que garante um alto grau de proteção do circuito eletrônico contra poeira e jatos

de água. Este fator de proteção é importante para que o circuito possa operar de modo

seguro em ambientes onde fique continuamente exposto às variações ambientais, como

calor, chuva, poeira, etc.

O número de componentes eletrônicos do circuito do coletor de dados é

pequeno, tendo apenas um circuito integrado que é o microcontrolador programável

PIC16F628. Os demais componentes são dispositivos como resistores, capacitores,

caixa plástica, cristais, chaves e conectores. O microcontrolador utilizado no coletor de

dados tem um custo de aproximadamente US$ 3,50, o que, agregado aos demais

elementos do coletor, permite a montagem de um coletor de dados com um custo final

inferior a US$ 20,00.

Este número reduzido de componentes também viabilizou outras características,

como o pequeno tamanho físico e o pequeno consumo de energia. O circuito eletrônico

implementado tem um consumo médio de corrente elétrica de 70 A, que pode ser

considerado muito baixo, permitindo a operação ininterrupta do coletor de dados

durante meses ou até anos, dependendo da bateria utilizada.

As técnicas de software desenvolvidas incluíram a filtragem do sinal elétrico que

é gerado no pluviômetro e enviado ao coletor. Este sinal usualmente tem um ruído

elétrico devido às próprias características eletromecânicas dos pluviômetros. Neste caso,

para evitar hardware adicional, foi desenvolvida uma rotina no software de aquisição de

dados que faz a eliminação do ruído.

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O microcontrolador programável modelo PIC16F628, que foi utilizado no

presente trabalho, tem uma memória de dados embutida, que é do tipo EEPROM e não

perde os dados já armazenados em caso de falhas das baterias, o que assegura uma

maior confiabilidade para operações em campo por longos períodos. Esta memória tem

capacidade para armazenar 128 Bytes e o coletor desenvolvido utiliza um byte para

cada registro pluviométrico.

Cada registro pluviométrico representa a integralização quantidade de chuvas

medidas durante um dia. Embora existam pesquisas que exijam medições em resoluções

temporais de horas, a medição diária ou até mesmo histórica também é muito utilizada

para diversas aplicações, como na agricultura (Berne, 2002).

Cada vez que o pluviômetro basculante fecha o seu contato eletrônico, é enviado

um sinal elétrico para o coletor de dados. Assim cada sinal representa a ocorrência de

índice pluviométrico, que neste trabalho é chamado de evento, que é igual à resolução

de leitura do pluviômetro, que freqüentemente é de 0,1mm ou 0,2mm.

O microcontrolador soma o número de eventos ocorrido durante cada dia e

armazena este valor como um registro na memória de dados, onde cada registro ocupa

um único byte. Cada registro, na forma de um byte, é na verdade um número de 0 a 255.

Assim, utilizando um pluviômetro com resolução de 0,2mm, cada registro poderia

registrar a ocorrência de um índice pluviométrico de até 51 mm. Caso a resolução do

pluviômetro fosse de 0,1 mm, então cada registro poderia representar até 25,5 mm de

precipitação. Neste trabalho, este valor máximo é chamado de limite de registro.

Os valores do limite de registro de 25,5 mm ou 51 mm diários podem não ser

suficientes em algumas medições. Para estes casos mais extremos, foi desenvolvida uma

segunda versão do software de controle do coletor de dados pluviométricos onde cada

registro ocupa 1,5 bytes na memória de dados e é capaz de armazenar até 4096 eventos.

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Isto equivale a um limite de registro de 409,6 mm ou 819,2 mm de precipitação diária,

medidas com pluviômetros com resolução de 0,1 mm ou 0,2 mm, respectivamente. Isto

assegura uma grande folga de operação, com capacidade muito superior aos valores

convencionais. A restrição desta segunda versão do software é que a mesma assegura o

registro por um período máximo de 85 dias, enquanto que a primeira versão assegura

medições por 128 dias.

A figura 2 mostra coletor de dados de dados pluviométricos, desenvolvido neste

trabalho, instalado em campo. Embora o coletor possa operar por vários dias, na prática

o pluviômetro fica sujeito a hostilidade do ambiente e pode ter sua operação

comprometida devido a problemas imprevistos como folhas de árvores ou animais.

Assim, é recomendado que o mesmo seja vistoriado periodicamente, em prazos

usualmente menores do que a capacidade de operação do coletor de dados.

Figura 2. O coletor de dados desenvolvido neste trabalho.

O software desenvolvido para fazer a comunicação entre o coletor de dados e um

computador possui uma interface homem-máquina bastante amigável. A figura 3 mostra

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a tela do software desenvolvido, que pode ser controlado por apenas duas opções

básicas, que são a de inicializar o coletor e a de atualizar a base de dados.

A opção de inicializar o coletor transfere automaticamente a data e horário do

computador para o coletor de dados, o qual atualiza o seu relógio interno. Este relógio

permite ao coletor saber quando um determinado dia termina e assim fazer a gravação

do registro pluviométrico do mesmo. A data de inicialização permite ao coletor ter um

registro de quando começaram as medições.

A opção atualizar a base de dados faz com que o computador envie um comando

ao coletor de dados que imediatamente transfere todos os seus registros pluviométricos

para o computador, que recebe estes dados e os grava em um arquivo de dados que pode

ser posteriormente manipulado pelo usuário. O arquivo geado é um arquivo no formato

texto e pode ser diretamente importando por editores de textos ou planilhas de cálculos.

Figura 3. A tela de operação do software de comunicação com o coletor de dados.

4. CONTINUIDADE DE TRABALHO

Este trabalho é parte de uma pesquisa maior que visa o estudo e

desenvolvimento de tecnologias, abrangendo aspectos de software e hardware, para o

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registro de dados pluviométricos, o que também inclui projetos para o desenvolvimento

de coletores de dados com maior capacidade de armazenamento de dados.

5. CONCLUSÕES

Este trabalho apresentou o desenvolvimento de um coletor de dados

pluviométricos, cujos resultados podem ser considerados significantes. O coletor

desenvolvido apresentou pequenas dimensões físicas, baixo consumo de energia, baixo

custo e uma satisfatória capacidade para o armazenamento de dados pluviométricos.

Provamos assim que é possível desenvolver um equipamento de alto desempenho com

base em um único componente eletrônico e que o projeto de coletores de dados

pluviométricos é uma área de pesquisas com alto potencial para o desenvolvimento de

novas tecnologias e produtos.

AGRADECIMENTOS

A FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pelo apoio

financeiro a este projeto.

BIBLIOGRAFIA

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