UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTOS ACADÊMICOS DE ELETRÔNICA E MECÂNICA
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
MARCELO MAREGA PINHEL
GUSTAVO PAINI BEZERRA
SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE
À AGRICULTURA URBANA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
2018
MARCELO MAREGA PINHEL
GUSTAVO PAINI BEZERRA
SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE À
AGRICULTURA URBANA
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, dos Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo. Orientador: Prof. Sidney Carlos Gasoto
CURITIBA
2018
TERMO DE APROVAÇÃO
MARCELO MAREGA PINHEL
SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE À
AGRICULTURA URBANA
Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 06 de abril de 2018, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________ Prof. Dr. Milton Luiz Polli Coordenador de Curso
Departamento Acadêmico de Mecânica
______________________________ Prof. M.Sc. Sérgio Moribe
Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Celso Salamon Prof. Dr. João Antônio Palma Setti UTFPR UTFPR
Prof. Dr. Simone Crocetti Prof. Me. Sidney Carlos Gasoto UTFPR Orientador - UTFPR
“A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso”
TERMO DE APROVAÇÃO
GUSTAVO PAINI BEZERRA
SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE À
AGRICULTURA URBANA
Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 06 de abril de 2018, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________ Prof. Dr. Milton Luiz Polli Coordenador de Curso
Departamento Acadêmico de Mecânica
______________________________ Prof. M.Sc. Sérgio Moribe
Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Celso Salamon Prof. Dr. João Antônio Palma Setti UTFPR UTFPR
Prof. Dr. Simone Crocetti Prof. Me. Sidney Carlos Gasoto UTFPR Orientador - UTFPR
“A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso”
Ofereço este trabalho à humanidade. Que
os estudos aqui realizados possam
contribuir na união da tecnologia como
alicerce para o desenvolvimento humano
sustentável.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos os meus professores com ênfase para:
- Prof. Dr. Gilson Y. Sato, por despertar em mim a paixão por sistemas
embarcados;
- Prof. Dr. Luis Paulo Laus, pela rigidez;
- Prof. Dr. Anderson Levati Amoroso. O melhor professor que já tive na
vida, definitivamente comprometido com a excelência do ensino.
- Prof. Dr. Celso Salamon, visionário;
- Prof.M.e, Sidney Carlos Gasoto, pela orientação e amizade.
Agradeço à Universidade Tecnológica Federal do Paraná por abrigar um
jovem em sua trajetória ao profissionalismo.
Agradeço aos meus colegas de sala: Raul “marujo”, Luís Guilherme “moita”,
Paulo Garcia “Campo Largo”, Thiago Grola e Carlos Charnei.
Agradeço a Favo Tecnologia “wonderfull team”, por realizar todos os meus
sonhos.
Pai, mãe, vô e vó, agradeço a vocês pela fé inabalável depositada em mim
todos esses anos.
Por último e mais importante, meus sinceros agradecimentos à Raissa
Yamasaki Rodrigues, companheira, parceira, amiga e sócia. A mulher da minha vida
e dos meus sonhos.
Agradeço aos meus mestres por doarem seu tempo, dedicação e paciência,
pelo aprendizado incalculável que obtive na vida acadêmica.
Agradeço ao meu pai, mãe e irmão, pelo apoio incondicional e por nunca
desistirem de mim.
Agradeço também a Larissa Madelyn Geraldo, meu amor, pelo suporte e
compreensão nesta caminhada, pela ajuda, companheirismo e comprometimento.
E agradeço principalmente o Senhor Marcelo Marega Pinhel pelo convite a
participar deste projeto maravilhoso, pela confiança e pela grande parceria em tantos
outros projetos importantes.
“Se tirar sem pôr, acaba”.
(autor desconhecido)
RESUMO
PINHEL, Marcelo; BEZERRA, Gustavo. Sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura urbana. 2018. 98 folhas. Trabalho de conclusão de curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura, visando reaproximar as pessoas dos grandes centros urbanos do cultivo de alimentos. Retirando os obstáculos que as afastam devido ao estilo de vida das grandes cidades, sendo o principal a falta de tempo, além de eliminar o compromisso da manutenção das condições de cultivo, empregando tecnologias de controle desenvolvidas para a aquisição de dados, julgamento e atuação para garantir o ideal desenvolvimento do vegetal. Para tal, lança-se mão de tecnologias já solidificadas para a aquisição de dados de temperatura e luminosidade, tecnologias em grande expansão que prometem revolucionar a indústria com a fabricação in loco, a fabricação digital, e desenvolvem-se tecnologias próprias para a aquisição de dados de umidade para garantir o melhor funcionamento e eficácia dos dados adquiridos e utilizados para o controle das condições. O processo de desenvolvimento de cada um nos sistemas assim como a integração dos mesmos foi retratado e explorado. Foi construído um protótipo, que foi submetido a uma série de testes, para comprovação da resistência às intempéries do meio e onde foram coletados dados, validados através de métodos de controle estatístico para a comprovação de sua eficácia. O sistema desenvolvido nesse estudo evidenciou estabilidade satisfatória na comunicação sem fio, permitindo análise dos dados obtidos pelos sensores e telecomando para controle de irrigação. O dispositivo instalado no local de cultivo se mostrou robusto à chuva e umidade permanecendo no local durante o período de cultivo. Palavras-chave: Agricultura Urbana. Aquisição de Dados. Cultivo. Desenvolvimento.
ABSTRACT
PINHEL, Marcelo; BEZERRA, Gustavo. Telemetry and control remote system to urban agriculture support . 2018. 98 folhas. Trabalho de conclusão de curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.
This work introduces a development of a Telemetry and remote control system to support urban agriculture, seeking the rapprochement of people in great urban centers and the food cultivation. Removing obstacles which take people away because of their lifestyle, being the main reason, the lack of time, besides eliminating the commitment to the maintenance of the conditions of cultivation, using developed control technologies for the data acquisition, judgment and acting to ensure the ideal vegetable development. For this, we use solidified technologies for data acquisition of temperature and luminosity, great expansion technologies that promises an industry revolution with an in loco manufacturing, digital manufacturing, and develop new own technologies for humidity data acquisition for conditions control. The development process of each system as his integration was portrayed and explored. A prototype was built and was subjected to a series of test, to prove it's weather resistance and data collected, validated through statistical control methods to prove it's efficacy. The system developed in this study evidenced satisfied stability on wireless communication, allowing data analysis got with the sensors and irrigation remote control. The device installed on the place of cultivation presented to be robust to resist rain and humidity staying in the field for the whole cultivation period. Keywords: Urban Agriculture. Data Acquisition. Cultivation. Development.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Projeto mecânico da primeira versão do equipamento…………....… 26
Figura 2 - Esquema do sensor de temperatura MCP0700/9701……….….….... 27
Figura 3 - Primeira versão do equipamento sendo testada em campo…........... 27
Figura 4 - Ilustração da atração de íons para a sonda do sensor de umidade... 28
Figura 5 - Sensor LDR - (a) simbologia e (b) constituição……………………..... 34
Figura 6 - Modelo tampa de bomba de óleo em software CAD…………………. 42
Figura 7 - Modelo com linhas de impressão gerados por software CAM…….... 43
Figura 8 - Funcionamento básico de uma impressora 3D FDM………………… 43
Figura 9 - Produto final impresso………………………………………………….... 44
Figura 10 - Área de cultivo para testes, em construção………………………….... 45
Figura 11 - Dimensões da área de cultivo…………………………………………... 46
Figura 12 - Disposição dos componentes de drenagem da área de cultivo…….. 46
Figura 13 - Área de cultivo finalizada………………………………………………... 47
Figura 14 - Irrigação por mangueiras de gotejamento…………………………….. 48
Figura 15 - Mangueira de irrigação por gotejamento………….………………….. 48
Figura 16 - Conjunto Modelado em Software CAD SolidWorks®………………... 49
Figura 17 - Impressora 3D utilizada para fabricação, modelo Graber i3
modificada………………………………………………………………… 51
Figura 18 - Modelo matemático da tampa já posicionado na posição ideal de
impressão……………………………………………..………………...... 52
Figura 19 - Representação do conjunto montado. Tampa, corpo e O’ring…….... 52
Figura 20 - Modelo matemático Condutor do Sensor de umidade/ condutor do
sensor de umidade fabricado…………………………………………… 53
Figura 21 - Alimentação dos circuitos analógicos………………………………….. 55
Figura 22 - Alimentação dos circuitos analógicos………………………………..... 56
Figura 23 - Alimentação dos circuitos digitais………………………………………. 57
Figura 24 - Esquemático parcial da placa Core board…………………………….. 57
Figura 25 - Módulo ADS1115………………………………………………………… 58
Figura 26 - Placas do protótipo finalizadas…………………………………………. 58
Figura 27 - Placas encaixadas prontas para serem encapsuladas……………… 59
Figura 28 - Testes para sensor de umidade em corpos de prova
padrão………................................................................................... 60
Figura 29 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 5%....... 66
Figura 30 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 10%..... 67
Figura 31 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 20%..... 68
Figura 32 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 30%..... 69
Figura 33 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 40%..... 70
Figura 34 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 50%..... 71
Figura 35 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 60%..... 72
Figura 36 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 70%..... 73
Figura 37 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 80%..... 74
Figura 38 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 90%..... 75
Figura 39 - Gráficos da adequação dos modelos pela função de powerlaw pelos
dados experimentais…………………………………………………….. 76
Figura 40 - Processo de sincronia do dispositivo com a rede local………………. 79
Figura 41 - Tópicos de inscrição do dispositivo…………………………………….. 83
Figura 42 - Tópicos de publicação do dispositivo………………………………….. 84
Figura 43 - Plantas cultivadas com auxílio do sistema de telemetria e telecomando
para suporte à agricultura urbana ………………................................ 85
Figura 44 - Alface-crespa (Lactuca sativa var. crispa) cultivada no ambiente de
teste deste estudo ……………………………………........................... 85
Figura 45 - Variedade de alimentos produzida em âmbito urbano com auxílio do
sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura
urbana................................................................................................. 86
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Verificação da parcela de cultivadores urbanos, pesquisa feita no
google forms…………………………………………………………….... 21
Gráfico 2 – Verificação das principais limitações para que o cultivo urbano,
pesquisa feita no google forms……………………………………….....21
Gráfico 3 – Resposta de crescimento do brócolis e milho em diferentes
temperaturas na fase vegetativa……………………………………...... 32
Gráfico 4 – Resistência versus luminosidade. ……………………………………... 32
Gráfico 5 – Resposta espectral do resistor dependente de luz…………………... 33
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Tabela de dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo
(dia 1 - 1)............................................................................................ 61
Tabela 2 – Tabela de dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo
(dia 1 - 2)............................................................................................ 62
Tabela 3 – Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo
(dia 2 - 1)............................................................................................ 62
Tabela 4 – Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo
(dia 2 - 2)............................................................................................ 63
Tabela 5 – Valores medidos para a geração do CEP…………………………...... 65
Tabela 6 – Coeficientes obtidos através do software R para o modelo do sensor de
umidade do solo………………………………………………………….. 77
LISTA DE ACRÔNIMOS
ADC Analog/Digital Converter
CAD Computer Aided Design
CAE Computer Aided Engineering
CAM Computer Aided Manufacturing
CdS Cadmium sulfide
CNC Computer Numerical Control
ESCP Expressive Systems Smart Connectivity Platform
FDM Flused Deposition Material
FAO Foodand Agriculture Organization
GPIO General Purpose Input/Output
I²C Inter-Integrated Circuit
ISO International Organization for Standardization
LDR Light Dependent Resistor
MQTT Message Queue Telemetry Transport
OSI Open System Interconnection
PDM Project Data Management
PLM Product Lifecycle Management
STL Standard Triangle Language
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
TDR Time-domain reflectometer
UART Universal asynchronous receiver/transmitter
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 17
2 DELIMITAÇÃO DO ESTUDO.......................................................................... 19
3 PROBLEMA........................................... ......................................................... 20
4 OBJETIVOS.......................................... .......................................................... 23
4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS....................................................................... 23
5 JUSTIFICATIVA............................... ............................................................... 24
6 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO.................. .......................................... 25
7 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA....................... ............................................... 29
7.1 AGRICULTURA URBANA…………………….……………………………… 29
7.2 OS SENSORES……………………………………………............................. 31
7.2.1 Sensores de temperatura e luminosidade……………………...................... 31
7.2.2 Sensor de umidade…………………………………...................................... 34
7.3 SISTEMAS EMBARCADOS………………...…….………………….............. 35
7.4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO………………....…………………...... 36
7.4.1 Modelo OSI………………………………………………………………........... 36
7.4.2 TCP/IP…………………………………………………………………............... 37
7.4.3 MQTT……………………………………………………………...……............. 39
7.5 FABRICAÇÃO DIGITAL………………………………………………….......... 39
7.5.1 Modelagem em software CAD……………………………………….............. 41
7.5.2 Software CAM………………………………………….................................... 42
8 METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO.............. ..................................... 44
8.1 ÁREA DE CULTIVO PARA TESTES……………………………………........ 44
8.2 PROJETO MECÂNICO………………………………………………………... 49
8.2.1 Corpo principal………………………………………………………................. 50
8.2.2 Condutores do sensor de umidade……………………………......................53
8.3 PROJETO ELETRÔNICO…………………………………………………....... 54
8.3.1 Esquema eletrônico…………………………………………………................ 54
8.3.2 Power board…………………………………………………………................. 54
8.3.3 Core Board………………………………………………….............................. 57
8.3.4 Testes de viabilidade da utilização do sensor de umidade…………...........59
8.3.5 Confiabilidade do sensor……………………………….................................. 63
8.3.6 Modelo estático do sensor de umidade de solo…………………................. 76
8.4 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE DO MICROCONTROLADOR….. 77
8.4.1 Sincronia do dispositivo com a rede local……………….............................. 78
8.4.2 Operação do dispositivo……………………………………........................... 80
8.4.2.1 Controle da irrigação…………………………………………………………… 81
8.4.2.2 Publicação e subscrição via mqtt…………………………………………… 82
9 RESULTADOS......................................... ....................................................... 84
10 CONSIDERAÇÕES FINAIS......................... ................................................... 85
REFERÊNCIAS....................................................................................................... 89
ANEXOS.................................................................................................................. 94
ANEXO A - OVERVIEW DATASHEET ESP8266EX............. ................................. 94
ANEXO B - FEATURES, APPLICATIONS AND DESCRIPTION D ATASHEET
ADS111x............................................ ..................................................................... 95
APÊNDICES............................................................................................................ 96
APÊNDICE A - PESQUISA SOBRE AGRICULTURA URBANA..... ...................... 96
17
1 INTRODUÇÃO
A prática da agricultura pelo homem tem uma associação intrínseca ao
desenvolvimento da humanidade. Técnicas milenares são passadas por gerações e
praticadas até hoje nos campos de cultivo, provendo alimentação básica para as
populações. Apesar das técnicas atuais em agricultura permitirem que haja
aglomerados urbanos de alta densidade — como as grandes conurbações — essa
prática fica, em sua maioria, restrita a áreas rurais, e não é conhecida e/ou praticada
pela maior parte da população, que se encontra nas cidades.
Com o crescimento acelerado das cidades, criou-se a necessidade de
desenvolver novas técnicas de cultivo, armazenamento e transporte de alimentos, já
que essa produção está longe dos lugares onde há a demanda. Dessa crescente
urbanização, além do fornecimento de alimentos, resultam outros problemas como a
preservação ambiental e a oferta de empregos. A falta de alimentos para a
população é uma preocupação crescente. Esforços são dedicados diariamente para
otimizar a oferta de alimentos de forma sustentável, saudável e escalável
(MACHADO e MACHADO, 2002).
Segundo Assis Aquino (2007), muitos problemas são evidenciados devido a
urbanização não planejada; e com a crescente urbanização e o aumento
populacional nas cidades, problemas como o fornecimento de alimentos,
preservação ambiental e oferta de empregos só irão aumentar.
Normalmente não é feito nenhuma associação entre a agricultura e o meio
urbano, já que esta sempre foi praticada em meio rural. Entretanto, a chamada
agricultura urbana é uma atividade praticada pela população, mesmo que pouco
expressiva. Essa atividade tem despertado um elevado e crescente interesse, tanto
dos urbanistas, quanto dos pesquisadores e responsáveis por elaboração de
políticas, na medida em que, onde se estabeleceu com eficiência, desempenhou um
papel muito importante na alimentação das populações urbanas, garantindo a sua
sobrevivência (FAO, 1999).
18
“A prática da agricultura urbana compreende o exercício de diversas atividades relacionadas à produção de alimentos e conservação dos recursos naturais dentro dos centros urbanos ou em suas respectivas periferias, surge como estratégia efetiva de fornecimento de alimentos, de geração de empregos, além de contribuir para a segurança alimentar e melhoria da nutrição dos habitantes das cidades.” (Machado; Machado, 2002)
O desenvolvimento de novas técnicas para agricultura urbana viabiliza o
cultivo em locais não favoráveis e a adaptação para incluir essa tarefa na vida dos
residentes das cidades, provendo alimentos para a população e contribuindo para o
desenvolvimento sustentável de um centro urbano.
Produzir alimentos utilizando-se de espaços improdutivos como o terraço de
um edifício ou o telhado de uma casa, coletando a água da chuva, aproveitar os
resultados do modo de vida dos grandes centros urbanos como dióxido de carbono e
o calor. Ao cultivar alimentos em centros urbanos, atua-se diretamente na diminuição
do impacto ambiental causado pelas intervenções da humanidade.
A rotina de um agricultor que pratica suas atividades no campo, bem como o
acesso a informações e técnicas de cultivo muito se difere da rotina habitual de
quem vive nos meios urbanos. Com uma metodologia de produção e distribuição de
alimentos bem definida, porém insatisfatória, já que o transporte é responsável pela
maior parte dos custos logísticos, e chega a representar, em média, 60% destes
(FLEURY; WANKE; FIGUEIREDO, 2000).
Os centros urbanos por sua vez, nos possibilitam acesso a informações e
cruzamento de dados de maneira global. Este estudo propõe uma solução
envolvendo um sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura
urbana, com foco em solucionar dois problemas: reduzir o tempo necessário para
manutenção da área de cultivo e facilitar o acesso do agricultor às informações
relacionadas ao cultivo.
O trabalho encontra-se estruturado da seguinte maneira:
1 -Introdução: O tema é apresentado. É introduzido o problema, a justificativa e a
estrutura do trabalho.
2 - Delimitação do estudo: É apresentado o objetivo do estudo, as premissas e os
objetivos do mesmo.
3 - Problema: Será dissecado o problema apontando quais fatores devem ser
abordados e focos do estudo.
19
4 - Objetivos: São definidos os objetivos da pesquisa e definido os pontos
estratégicos para o desenvolvimento do equipamento.
5 - Justificativa: São levantadas todas as dificuldades que envolve o tema,
agricultura urbana, e definidos os principais, que serão o ponto de partida para o
desenvolvimento do projeto.
6 - Procedimentos Metodológicos: Aborda-se a estrutura do desenvolvimento do
trabalho, o ponto de partida para cada função/especificação.
7 - Fundamentação Teórica: Serão fundamentados todos os procedimentos e
ferramentas utilizadas no desenvolvimento do equipamento.
8 - Desenvolvimento do Projeto: É descrito o procedimento de desenvolvimento,
testes e validação de cada funcionalidade do equipamento, bem como a sua
estrutura.
9 - Conclusão: São feitas as considerações finais, apresentado o resultado, e as
possíveis melhorias para um estudo futuro.
2 DELIMITAÇÃO DO ESTUDO
Este estudo tem como objetivo a confecção do protótipo de um produto
destinado a dar suporte aos agricultores urbanos, colhendo em tempo real alguns
dos dados vitais para o desenvolvimento do plantio, arquivando histórico destes
dados em nuvem para permitir o planejamento e a manutenção adequada. O
constante desenvolvimento de técnicas oriundas da agricultura urbana se estende
conforme a necessidade aumenta, e este estudo apresenta uma possibilidade de
ferramenta de suporte; dentre outras; presente nos dias atuais. Para o
desenvolvimento do protótipo, técnicas de manufatura foram consideradas visando a
reprodução do equipamento em escala global através do compartilhamento dos
arquivos de projeto em formato digital. Para confecção do equipamento em escala
comercial ou industrial, modificações são necessárias. Para a continuação deste
estudo, uma interface gráfica com estudos apropriados de usabilidade foi
desenvolvida, porém este estudo não contempla seu desenvolvimento.
20
O dispositivo/protótipo deve ser conectado à internet para algumas
configurações como por exemplo, frequência de irrigação e respectivo volume de
água, etc. Um aplicativo Android foi desenvolvido para esta aplicação, porém este
estudo não contempla o seu desenvolvimento.
3 PROBLEMA
Segundo a Foodand Agriculture Organization (FAO) (1999), que é uma
agência da ONU para alimentação e agricultura, a agricultura local, orgânica, e em
pequena escala é uma solução para a erradicação da fome no mundo. A tecnologia
voltada ao cultivo de alimentos, mesmo com todo o investimento em pesquisa e
métodos de automação agrícola, acaba beneficiando apenas grandes produtores
com capital suficiente para tal investimento. Além disso, o pequeno contingente de
consultoria aliado com a escassez de trabalhadores treinados em agricultura de
precisão,são problemas comumente encontrados. (RESENDE et al., 2010).
Os autores deste trabalho realizaram uma pesquisa online com uma amostra
total de 177 indivíduos para identificar quais eram os fatores classificados pelos
simpatizantes do cultivo urbano como impeditivos ou limitantes. A pesquisa em
questão foi realizada com estruturas condicionais. Isto significa que dependendo da
resposta do indivíduo, ele era conduzido a uma pergunta específica, por exemplo,
aqueles que responderam que não são praticantes de cultivo urbano eram
conduzidos a perguntas para classificar a intenção de se iniciar no cultivo, e em
seguida, quais eram os fatores que ele identificava como impeditivo para o início da
prática. Como este trabalho foca no desenvolvimento de uma ferramenta para
suporte à agricultura urbana, os dados apresentados focam nos praticantes do
cultivo. Dada a natureza da pesquisa explicada neste parágrafo, o leitor pode
encontrar um número diferente de amostras em cada relatório.
Nossa pesquisa revelou que em uma amostra de 106 indivíduos, 22,6% dos
entrevistados categorizam a falta de tempo como fator impeditivo para o cultivo, e
14,2% declararam a falta do conhecimento básico necessário para a prática,
conforme evidenciado nos gráficos 1 e 2.
21
Gráfico 1 – Verificação da parcela de cultivadores urbanos, pesquisa feita no google forms.
Fonte: Autoria Própria (2017).
Gráfico 2 – Verificação das principais limitações p ara que o cultivo urbano, pesquisa feita no
google forms. Fonte: Autoria própria (2017).
É notável também, como principal limitador para a prática da agricultura
urbana, a falta de espaço a ser destinado para o cultivo.
Com as deficiências citadas na agricultura no campo, no âmbito urbano,
essa diferença consegue se tornar ainda mais discrepante. Trazer as técnicas de
cultivo do campo para os centros urbanos, torna-se muitas vezes impraticável. O
clima, acesso a insumos e técnicas, ferramentas especializadas e a rotina do
cidadão urbano caracterizam alguns desses problemas.
22
Em centros urbanos, nos modelos atuais e com as devidas relações de
trabalho, o tempo é facilmente caracterizado como um grande limitante para que
novas atividades, tal como o cultivo de alimentos, sejam incorporadas na rotina da
população nas cidades. Soma-se a esse limitante a falta de experiência e
conhecimento das técnicas empregadas.
Devido ao êxodo rural no Brasil, podemos inferir que o cultivo de alimentos
em âmbito domiciliar perdeu adeptos. Analisando dados da nossa pesquisa,
evidenciamos que a falta de espaço de cultivo, comum em ambiente de grandes
cidades, caracterizou-se como limitante para um grande percentual de adeptos. A
prática hoje incentivada, se resume a obtenção de alimentos pela disponibilidade
dos mercados locais, onde as informações do cultivo daquele alimento, como o uso
de agrotóxicos nocivos à saúde, são comumente omitidas. Cultivar alimentos
localmente possibilita acesso a alimentos diferentes dos oferecidos pelos modelos
majoritariamente praticados, bem como disponibiliza ao cultivador/consumidor a
escolha de técnicas de plantio que estejam de acordo com suas expectativas.
Sendo a agricultura uma ciência com muitas variáveis, tais como a
temperatura ambiente, tipo de solo, umidade relativa do ar, que mudam de região
para região, torna-se muito difícil para pessoas que nunca tiveram contato com a
prática, ou auxílio de um amigo ou familiar, porém essas variáveis podem ser
medidas por sensores, ou até mesmo inferidas pela posição geográfica, por um
baixo custo.
Um sistema de telemetria capaz de medir a umidade do solo (e intervir
quando necessário), temperatura ambiente, incidência de luz e se localizar
geograficamente, facilita a produção de alimentos por qualquer pessoa que tenha
acesso fácil à internet, energia elétrica e água, ou seja, pessoas residentes nas
cidades, pois para as outras grandezas também influentes na prática da agricultura,
tais como ph, tipo e nutrientes disponíveis no solo, drenagem do local e pragas, é
possível inferir com a ajuda do usuário. O usuário poderia utilizar sua percepção,
cruzando referências com material didático para informar ao sistema e aos outros
usuários informações sobre o andamento do seu cultivo. Informações como:
presença de pragas; tonalidade das folhas; tempo de desenvolvimento das plantas;
uso medicinal ou culinário, e técnicas de cultivo. Para isso, faz-se necessário a
catalogação das mudanças nas variáveis que estão aptas a medições através dos
23
sensores disponíveis no equipamento, de acordo com o ambiente em que ele se
encontra, tendo uma base de dados comum para todos os usuários.
Partindo das condições básicas para o cultivo, plantas necessitam de água e
luz nas devidas proporções, clima propício, dióxido de carbono e um solo fértil. Um
sistema de telemetria simples voltado a agricultura permite a obtenção dos valores
de luz, água e temperatura ambiente de cada espécie de planta está sendo
cultivada, sem a necessidade da intervenção do cultivador, poupando este da rotina
diária de irrigação.
4 OBJETIVOS
Desenvolver um sistema de telemetria de baixo custo voltado a agricultura
urbana com controle em malha fechada de fornecimento de água, medindo
temperatura ambiente, umidade do solo e incidência de luz, armazenando os dados
em um servidor remoto permitindo processamento em nuvem e acesso global aos
dados de cultivo.
4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Desenvolver sensor resistivo de umidade gravimétrica do solo;
Projeto dos circuitos eletrônicos responsáveis pelo ajuste de tensão
aos padrões necessários para os circuitos digitais e analógicos;
Projeto do circuito eletrônicos responsável pelo controle do
funcionamento da válvula de controle de fluxo;
Projetar e fabricar encapsulamento dos circuitos e sensores visando a
fabricação por manufatura aditiva, comumente conhecida como impressora 3D, em
máquinas de baixo custo;
Desenvolver firmware do microcontrolador;
Testar a resistência da solução a exposição a chuva;
24
Desenvolver sistema de obtenção de dados com comunicação sem fio
TCP/IP via protocolo MQTT;
5 JUSTIFICATIVA
Técnicas de cultivo e manejo de alimentos acompanham o desenvolvimento
da humanidade desde tempos remotos. Em cada espaço, no seu devido tempo,
técnicas foram criadas e/ou aprimoradas para atender a demanda que aquela
condição específica requisitava. A justificativa para o desenvolvimento de técnicas
relacionadas ao cultivo de alimentos tem suas inúmeras vertentes. A agricultura de
precisão por exemplo, sustentada pelo agronegócio monocultor, tem como base
maior produtividade e consumo assertivo de insumos. A permacultura e agrofloresta,
na contramão ao agronegócio, visa restabelecer o equilíbrio natural dos biomas
envolvidos em cada local de cultivo, para isso, as fases da lua são muito utilizadas
para determinar épocas de plantio e colheita. Já no quesito agricultura urbana, o
desenvolvimento tende a estar relacionado à redução da distância entre a produção
e o consumidor final, bem como a prática relacionada a lazer e recreação dos
praticantes.
Ainda sobre a agricultura urbana, Machado e Machado (2002) ressaltam que
ela surge como uma ferramenta para o fornecimento de alimentos, geração de
empregos e contribuição para a segurança alimentar dos moradores das cidades,
englobando diversas atividades relacionadas à produção de alimentos, e
conservação de recursos naturais.
De acordo com a pesquisa online feita pelos autores em formato de
formulário, disponível no APÊNDICE A, com 133 cultivadores urbanos, os problemas
mais relatados estavam relacionados a falta de conhecimento sobre as práticas
necessárias, tempo e espaço para cultivo. Dentro da problemática de informação,
notou-se em maior recorrência:
• Falta de conhecimento sobre a quantidade exata de água que cada
cultivo necessita para se desenvolver idealmente;
25
• Falta de conhecimento sobre a sazonalidade das plantas, implicando
no plantio fora do requisitado pela espécie;
• Como combater pragas e doenças;
• Falta de informação sobre o preparo do solo e condições de
fertilização;
• Quantidade mínima de luz direta que cada planta necessita para se
desenvolver.
Dentro da problemática de tempo, notou-se maior recorrência em:
• A falta dos cuidados relacionados a irrigação quando o praticante se
ausenta do local de cultivo por tempo maior que um dia.
• A diferença nos perfis de irrigação decorrente das mudanças
climáticas, sendo que em ambientes com baixa umidade relativa do
ar, faz-se necessário regas periódicas durante o dia.
Este estudo tem por finalidade, auxiliar a população na aquisição de dados
sobre o cultivo urbano, adequar as técnicas para o modo de vida comumente
praticado nas cidades viabilizando o cultivo para aqueles que vivenciam dos
problemas já citados.
6 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
A primeira etapa do processo, já desenvolvida para a validação dos
conceitos e realização de testes, consistiu no projeto e construção da primeira
versão do equipamento, incluso projeto eletroeletrônico, projeto mecânico, firmware
básico do microcontrolador e a fabricação dos componentes não obtidos
comercialmente, que são: sensor de umidade, confecção de placa de circuito
impresso e encapsulamento impermeável à chuva.
Nesta primeira versão foi separado o tratamento do sinal de alimentação em
dois blocos, um com um regulador tipo buck e outro com um regulador linear, por
razão e adequação do sinal para os sensores, que são sensíveis a ruído, e para
conseguir fornecer a corrente necessária para todos os periféricos. Alguns
26
problemas foram identificados, como por exemplo, erro na leitura do sensor de
umidade devido ao acúmulo de cargas em seus eletrodos.
Figura 1: Projeto mecânico da primeira versão do eq uipamento.
Fonte: Autoria própria (2017).
O projeto dos circuitos eletroeletrônicos consiste em um sistema embarcado,
contendo adequação da tensão de alimentação, microcontrolador modelo
ESP82661fabricado pela Espressif, conversor analógico digital ADS 11152, em rede
I²C topologia mestre-escravo.
O firmware básico do microcontrolador é responsável pelo processamento
dos sinais obtidos dos sensores, bem como controlar a atuação da válvula de
controle de fluxo de água e disponibilizar os dados para o usuário.
As placas de circuito impresso foram confeccionadas pelos autores
utilizando tintas fotossensíveis e métodos de corrosão. Esse processo foi escolhido
1 Anexo A 2 Anexo B
27
devido a confiabilidade e precisão do produto final aliado ao baixo custo de
fabricação.
Para a medição de temperatura foi escolhido um circuito integrado
comercial, o MCP9701A da Microchip, que é um sensor baseado em termistores, e
converte temperatura em tensão analógica. Esse sensor é um circuito integrado de
baixo custo, e baixo consumo de corrente com uma precisão de 1ºC em
temperaturas entre 0°C e +70°C (MICROCHIP, 2016). O sensor pode ser visto na
figura 2.
Figura 2: Esquema do sensor de temperatura MCP0700/ 9701.
Fonte: MICROCHIP (2016)
O projeto mecânico do encapsulamento, mostrado na figura 1, e sendo
testado em campo na figura 3, foi desenvolvido visando resistência a intempéries
com auxílio de software CAD, fabricado por métodos de deposição de polímeros
controlado por máquina de comando numérico computadorizado (impressora 3D).
Figura 3: Primeira versão do equipamento sendo test ada em campo.
Fonte: Autoria própria (2017).
28
Para obter de um produto final com o menor custo possível, o método
escolhido para o funcionamento do sensor foi a medição da resistência do solo. O
sensor de umidade foi confeccionado em aço inox 304, com auxílio de usinagem e
fabricação digital. O funcionamento do sensor ocorre da seguinte forma: em uma
sonda é aplicado um sinal contínuo, e a outra sonda se torna a referência desse
circuito, fazendo um divisor de tensão com a resistência desconhecida do solo.
Mas para converter esse valor de resistência em valores de umidade do
solo, foram necessários testes extensos para catalogar cada faixa de resistência
equivalente a um parâmetro de umidade de solo e, também, para verificar a
repetibilidade e precisão do sensor.
A primeira etapa foi a execução do projeto e a fabricação da nova versão
das placas de circuito impresso, e na elaboração de uma rotina auxiliar no sensor de
umidade capaz de reverter o fluxo de elétrons para evitar o acúmulo de íons na sua
sonda, notados em testes com a primeira versão. Esse problema se deu por conta
da corrente contínua aplicada no sensor, fazendo com que em seu meio aparecesse
um potencial elétrico, e as cargas contidas no solo e na água fossem atraídas para a
sonda do sensor, como exemplificado na figura 4.
Figura 4: Ilustração da atração de íons para a sond a do sensor de umidade.
Fonte: Autoria própria (2017).
A segunda etapa consiste na calibração dos sensores para leituras
fidedignas das variáveis medidas e seu respectivo tratamento em software. A
calibração dos sensores seguirá em conjunto com a catalogação das necessidades
das plantas escolhidas, obtidas de literatura específica na área da agricultura. Para
este trabalho, três plantas distintas foram catalogadas em caráter de teste, são elas:
Alface-crespa (Lactuca sativa var. crispa), manjericão miúdo (Ocimum basilicum) e
menta (Mentha spicata).
29
A terceira e última etapa consiste na devida aplicação dos protocolos de
comunicação escolhidos, bem como o desenvolvimento de uma interface gráfica
básica para disponibilizar os dados obtidos. Este projeto pretende relacionar as
vantagens e desvantagens da utilização da solução desenvolvida, em comparação
aos métodos tradicionais de cultivo urbano.
7 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
7.1 AGRICULTURA URBANA
Sendo o foco principal deste estudo o desenvolvimento de ferramentas de
cunho tecnológico para suporte à agricultura urbana, é necessário compreender a
problemática na qual a agricultura urbana se define e a sua relação com o
desenvolvimento sustentável. Em termos práticos, a agricultura urbana se
desenvolve com o intuito de resolver alguns dos desafios do desenvolvimento
humano. Segundo Mougeot (2005) o desenvolvimento da prática da agricultura
urbana engloba inúmeros fatores, e é estimulada por questões como a pobreza
urbana e a insegurança alimentar. Por exemplo, em Teresina capital do estado
Piauí, com o agravamento do êxodo rural, hortas comunitárias foram criadas pela
Prefeitura Municipal na tentativa de reverter os efeitos negativos produzidos pelas
altas taxas de crescimento populacional, tendo como objetivo gerar trabalho, renda e
melhorar o padrão alimentar das famílias carentes da periferia (MONTEIRO,
MONTEIRO, 2006).
A agricultura urbana, segundo Filho (2007), consiste em cultivo de plantas
realizados em pequenas áreas dentro da cidade, ou no seu entorno, destinada à
produção de alimentos para consumo próprio ou para venda em pequena escala.
A agricultura, em âmbito geral, além das associações tradicionais de
produção de alimentos e processos ecológicos, segundo Adriana Aquino (2007)
“também envolve processos sociais, sendo a agricultura o resultado da co-evolução
de sistemas naturais e sociais”. Para compreender a relação entre o
30
desenvolvimento humano sustentável e a prática da agricultura urbana, faz-se
necessário algumas definições sobre sustentabilidade. De acordo com Pinto et al
(2011), o desenvolvimento humano sustentável precisa garantir a “preservação da
biodiversidade, da saúde humana e qualidade do ar, da água e do solo, a níveis
suficientes para manter a vida humana e o bem-estar das sociedades para sempre”.
Os métodos de produção agrícola amplamente utilizados nos dias atuais,
para atender a alta demanda do crescimento populacional, fazem o uso de
fertilizantes sintéticos, reguladores de crescimento, pesticidas e aditivos para
alimentação animal, associando está prática a lógica da organização dos sistemas
de produção industrial; a agricultura urbana orgânica idealmente sustenta-se nos
princípios da agroecologia, e possibilita obter bons níveis de produtividade evitando
todo tipo contaminação química do agricultor urbano e dos consumidores, bem como
do meio ambiente (AQUINO, 2007).
No âmbito social, com o surgimento das metrópoles, uma grande parte da
responsabilidade comunitária como a coleta e/ou destino do lixo foi transferida ao
poder público, ou mesmo a grandes empresas. A agricultura urbana nas cidades, no
plano comunitário, é uma boa ferramenta para a autogestão dos recursos e resíduos
orgânicos, com impacto positivo na sanitização pública, uma vez que materiais como
embalagens, pneus e entulhos são utilizados para a contenção de pequenas
encostas e canteiros e, resíduos orgânicos domiciliares são aproveitados na
produção de composto utilizado como adubo (AQUINO, 2007).
A Agricultura urbana pode ser praticada de maneira individual ou coletiva.
Coutinho (2010) destaca que a agricultura urbana pode ser praticada em qualquer
lugar, como quintais, lajes, terraços, escolas e terrenos baldios; o interesse pelos
praticantes variam desde o acesso à alimentos, possibilidade de diversificar o uso de
espaços urbanos, alternativa para o combate à fome e à pobreza, segurança
alimentar, e, quando praticada em espaços públicos, atua diretamente na destinação
social de terra urbana, contribuindo também para criar um espaço para discussões
relacionadas ao desenvolvimento urbano, dentre outros temas.
As dificuldades encontradas por aqueles que praticam a agricultura urbana,
ou para aqueles que tem a intenção de praticar, seja para consumo próprio ou para
a comercialização, são inúmeras, como por exemplo: solo contaminado, combate a
pragas e doenças, disponibilidade de água, e ausência de políticas públicas, são
alguns dos problemas recorrentes entre a comunidade. A presença de resíduos
31
nocivos à saúde como mercúrio, chumbo, cádmio e outros em decorrência da função
para o qual o solo foi utilizado no passado, disponibilidade de água sem
contaminação à um preço acessível, identificação e tratamento das pragas e
doenças de maneira orgânica para não expor a risco os agricultores e os
consumidores da produção, e o pouco desenvolvimento das políticas públicas
relacionadas às práticas da agricultura urbana no Brasil (DUQUE JÚNIOR, 2014).
7.2 OS SENSORES
O monitoramento de temperatura, luminosidade e umidade do solo é de
extrema importância no cultivo de vegetais. A temperatura ambiente, por exemplo,
influencia diretamente em fatores como incidência pragas e doenças, estimativas de
safras (ARAÚJO et al., 2014), evapotranspiração da cultura, etc. (GOMES et al.,
2014). Nesse contexto, o uso de tecnologias computacionais permite que se possa
fazer o gerenciamento dos dados colhidos pelos sensores, permitindo que essas
informações possam ser utilizadas como uma base para a tomada de decisões e
planejamento de cultivo.
7.2.1 Sensores de temperatura e luminosidade
A importância da luminosidade no desenvolvimento inicial de plantas pode
ser constatada em Mazzei et al. (1998), Nardoto et al. (1998), e Salgado et al. (1998)
que estudaram o efeito desse fator sobre espécies nativas de vários grupos
ecológicos.
A taxa de crescimento e desenvolvimento da planta também é dependente
da temperatura ambiente, como podemos ver ao analisar o gráfico 3, e cada espécie
tem uma faixa de temperatura específica representada por valores mínimos,
máximos e ótimos. Esses valores foram resumidos por Backlund (2009) para várias
espécies diferentes de plantas.
32
Gráfico 3: Resposta de crescimento do brócolis e mi lho em diferentes temperaturas na fase
vegetativa. Fonte: Adaptado de Backlund (2009)
O Light Dependent Resistor, ou simplesmente, resistor dependente de luz,
possui a característica de ser um componente cuja resistência elétrica diminui
quando sobre ele incide energia luminosa. A resistência do LDR varia de forma
inversamente proporcional à quantidade de luz incidente sobre ele, isto é, enquanto
o feixe de luz estiver incidindo, o LDR oferece uma resistência muito baixa. Quando
este feixe é cortado, sua resistência aumenta, como podemos ver no gráfico 4.
Gráfico 4: Resistência versus luminosidade.
Fonte: Adaptado de Sunrom Technologies (2008)
O LDR é sensível apenas a luz visível, com comprimento de onda de 400 nm
a 800 nm, e dependendo do semicondutor que o sensor é fabricado, ele pode ser
sensível a ondas de até 900nm.
33
Gráfico 5: Resposta espectral do resistor dependent e de luz.
Fonte: Adaptado de TOKEN (2017).
Normalmente esse sensor é composto de um material semicondutor, o
sulfeto de cádmio, CdS, ou o sulfeto de chumbo. O processo de construção de um
LDR consiste na conexão do material fotossensível com os terminais, sendo que
uma fina camada é exposta à incidência luminosa externa.
Também chamado de célula fotocondutiva, ou ainda de foto-resistência, o
LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência varia
linearmente com a intensidade de luz incidente, obedecendo à equação 1:
. . (1)
Onde L é a luminosidade em lux, C e A são constantes dependentes do
processo de fabricação e material utilizado. Como já mencionado anteriormente o
LDR tem sua resistência reduzida ao ser iluminado. A energia luminosa desloca
elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo),
aumentando o número destes, diminuindo a resistência. Conforme aumenta a
quantidade de luz incidente no LDR, um número maior de elétrons na estrutura tem
também seu nível de energia aumentado, devido à aquisição de energia entregue
pelos fótons. O resultado é o aumento de elétrons livres e elétrons fracamente
presos ao núcleo. A figura 5 ilustra um sensor do tipo LDR.
34
Figura 5: Sensor LDR - (a) simbologia e (b) constit uição.
Fonte: Adaptado de TOKEN (2017)
7.2.2 Sensor de umidade
A água nas proporções adequadas é imprescindível no cultivo de qualquer
planta, e o seu manejo racional é decisivo tanto para o desenvolvimento sustentável,
quanto para a saúde das plantas, evitando a falta ou excesso (PIMENTEL, 2004).
Desta maneira, o conhecimento da distribuição do teor de água (umidade) no solo
torna-se necessário, uma vez que está intimamente ligado às propriedades do
sistema solo-água-planta, onde o domínio desse conhecimento é, certamente, um
dos fatores indispensáveis para uma agricultura sustentável.
A umidade do solo possui elevado grau de variabilidade no espaço e no
tempo, controlada por fatores como tempo, textura do solo, vegetação e topografia
(SANTOS et al., 2011).
Diversos são os métodos para a determinação da umidade do solo, como
reflectometria no domínio do tempo (TDR). A TDR tem sido amplamente usada nas
últimas décadas (SOUZA, 2002), visando o monitoramento da umidade superficial
do solo, permitindo descrição detalhada desta variável, ao longo do tempo. As
medidas de TDR e do conteúdo de água no solo são baseadas na forte correlação
observada entre a constante dielétrica do solo e seu conteúdo volumétrico de água
(GRECO; GUIDA, 2008).
A TDR se baseia no efeito da quantidade de água sobre a velocidade de
propagação de microondas em sondas; esse efeito acontece devido à diferença
entre as constantes dielétricas da água, do ar, e dos materiais sólidos contidos no
35
solo. Com a determinação de uma constante dielétrica K resultante da combinação
desses três materiais, pode-se estimar a quantidade de água contida no solo
(CONCIANI et al., 1996).
No entanto, o uso do TDR tem sido limitado pelo custo, tanto do testador de
cabo como da sonda, na qual existe ainda a limitação de uso em apenas uma
profundidade, pois em geral as sondas são constituídas de hastes contínuas de aço
inoxidável. Também, sua utilização não está difundida entre os usuários da técnica,
devido à carência de informações descrevendo suas potencialidades e limitações,
principalmente sobre a qualidade e a precisão de leituras versus configuração de
sondas (PEREIRA et al., 2006).
Outro método utilizado para a medição da umidade do solo é a sonda de
nêutrons. As utilidades e limitações das sondas de nêutrons foram bem
documentadas por Gardner (1986). Estas possibilitam medidas não destrutivas com
perturbações mínimas, porém a radioatividade exige precauções quanto à
segurança e limita a utilização contínua. O uso da sonda de nêutrons exige um
treinamento especial para seu manuseio, principalmente pela presença de fontes
radioativas.
Cada método de medição de umidade do solo tem suas vantagens e
desvantagens e, segundo Gilberto (2003), algumas características desejáveis para o
sensor são: evitar a amostragem destrutiva, permitir repetibilidade, fácil calibração,
custo acessível, segurança do operador, entre outras.
7.3 SISTEMAS EMBARCADOS
Os sistemas embarcados estão presentes em inúmeras funções e atividades
do cotidiano humano. Com redução constante em custos operacionais e de material,
a tendência é o aumento da sua presença no cotidiano das pessoas (CARRO;
WAGNER, 2003). Segundo Jeferson Bosa (2009) um sistema embarcado
“normalmente, é formado por microprocessador, memória e periféricos para executar
determinada aplicação”.
36
Exemplos da presença de sistemas embarcados no cotidiano vão de
eletrodomésticos, como um forno elétrico com controle de temperatura inteligente,
até o sistema de controle de injeção eletrônica de automóveis (CARRO; WAGNER,
2003).
Um sistema embarcado é sempre composto pela combinação entre
hardware e software com características específicas para o desempenho na solução
proposta (BOSA, 2009). Do ponto de vista do hardware, um sistema embarcado
possui alguns componentes básicos (CARRO; WAGNER, 2003):
Microprocessador: Unidade de processamento, projetada para um ou mais
usos específicos.
Memórias: Unidades de armazenamento de software.
Barramento de comunicação: Responsável pela comunicação através de
sinais entre os componentes que compõem o sistema.
Periféricos: Componentes externos que integram o sistema e desempenham
funções específicas, por exemplo, conversor digital analógico, interfaces de
comunicação, acionamentos de potência, etc.
Por outro lado, o software é gravado e armazenado no componente de
memória do sistema. O software é compilado e está intrinsecamente ligado à
arquitetura do microprocessador utilizado (CARRO; WAGNER, 2003):
Jeferson Bosa (2009) enuncia algumas características do software para
sistemas embarcados, e que o diferencia dos softwares tradicionais:
Baixa capacidade de armazenamento das memórias disponíveis.
Desempenho limitado quando comparado a processadores tradicionais.
Menor consumo de potência do que os processadores tradicionais.
7.4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
7.4.1 Modelo OSI
O modelo OSI (Open System Interconnection) é um modelo de rede de
computador referência da ISO dividido em camadas de funções, criado em 1971 e
37
formalizado em 1983, com objetivo de ser um padrão, para protocolos de
comunicação entre os mais diversos sistemas em uma rede local (Ethernet),
garantindo a comunicação entre dois sistemas computacionais (end-to-end)
(ZIMMERMANN, 1980).
Este modelo divide as redes de computadores em 7 camadas, de forma a se
obter camadas de abstração. Cada protocolo implementa uma funcionalidade
assinalada a uma determinada camada, onde cada camada é responsável por um
grupo de tarefas, fornecendo um conjunto de serviços bem definidos para o
protocolo da camada superior. As camadas mais altas, estão mais perto do usuário
(como a camada de aplicação) e lidam com dados mais abstratos, confiando em
protocolos de camadas mais baixas para tarefas de menor nível de abstração.
O Modelo OSI não é uma arquitetura de rede, pois não especifica os
serviços e protocolos exatos que devem ser usados em cada camada. Ele apenas
informa o que cada camada deve fazer. O Modelo OSI permite comunicação entre
máquinas heterogêneas e define diretivas genéricas para a construção de redes de
computadores (seja de curta, média ou longa distância) independente da tecnologia
utilizada. (TANENBAUM, 2003)
7.4.2 TCP/IP
De acordo com Tanenbaum (2003), o chamado de pilha de protocolos TCP/IP
é um modelo composto por apenas uma parte das camadas propostas no modelo
OSI, possuindo apenas quatro camadas, são elas:
Camada Física;
Camada de Rede;
Camada de Transporte;
Camada de Aplicação;
A camada física, pode ser chamada também de camada de interface de rede
ou camada de abstração de hardware é a primeira camada. Tem como função
principal fazer o interfaceamento do modelo TCP/IP com os diversos tipos de redes
(X.25, ATM, FDDI, Ethernet, Token Ring, Frame Relay, sistema de conexão ponto-a-
ponto SLIP, etc.) e transmitir os datagramas pelo meio físico, sinais físicos, tem a
38
função de encontrar o caminho mais curto e confiável de uma máquina para outra
(TANENBAUM, 2003). Como há uma grande variedade de tecnologias de rede, que
utilizam diferentes velocidades, protocolos, meios de transmissão, etc., esta camada
não é normatizada pelo modelo, o que provê uma das grandes virtudes do modelo
TCP/IP: a possibilidade de interconexão e interoperação de redes
heterogêneas(TANENBAUM, 2003).
A camada de Rede é responsável por controlar a operação da rede de um
modo geral. Suas principais funções são o roteamento dos pacotes entre fonte e
destino, mesmo que estes tenham que passar por diversos nós intermediários
durante o percurso, o controle de congestionamento e a contabilização do número
de pacotes ou bytes utilizados pelo usuário(TANENBAUM, 2003). Esta camada
também realiza roteamento de funções, também pode realizar a fragmentação e
remontagem e os erros de entrega de relatório. Roteadores operam nesta camada,
enviando dados em toda a rede estendida e tornando a Internet possível
(FOROUZAN, 2010).
Na camada de transporte, os protocolos contidos buscam resolver
problemas como confiabilidade e integridade. Na suíte de protocolos TCP/IP os
protocolos de transporte também determinam para qual aplicação um dado qualquer
é destinado. O TCP, um dos protocolos mais utilizados na Internet, é um mecanismo
de transporte confiável, orientado à conexão e que fornece um stream de bytes
confiável, garantindo assim que os dados cheguem íntegros, não danificados e em
ordem (FOROUZAN, 2010). O TCP tenta continuamente medir o quão carregada a
rede está e desacelera sua taxa de envio para evitar sobrecarga. Além disso, o TCP
tentará entregar todos os dados corretamente na sequência especificada. Essas são
as principais diferenças dele para com o UDP, e pode se tornar desvantajoso em
streaming, em tempo real ou aplicações de routing com altas taxas de perda na
camada internet.
A camada de aplicação é a camada que a maioria dos programas de rede
usa de forma a se comunicar através de uma rede com outros programas.
Processos que rodam nessa camada são específicos de uma aplicação, o dado é
passado do programa de rede, no formato usado internamente por essa aplicação, e
é codificado dentro do padrão de um protocolo(TANENBAUM, 2003). Uma vez que o
dado de uma aplicação foi codificado dentro de um padrão de um protocolo da
camada de aplicação ele será passado para a próxima camada da pilha. Entre os
39
protocolos mais utilizados nesta camada temos o HTTP (navegação na World Wide
Web), FTP (transporte de arquivos), SMTP (envio de e-mail), SSH (login
remoto)(FOROUZAN, 2010).
7.4.3 MQTT
Segundo Ismael Martins (2016) o “MQTT foi criado em meados de 1999 por
Andy Stanford-Clark (IBM) e Arlen Nipper (Eurotech). Trata-se de um protocolo de
mensagens baseado na arquitetura publish/subscribe, voltado para dispositivos
restritos e redes inseguras, com baixa largura de banda e alta latência” e “os
princípios do design são minimizar os requerimentos de recursos de dispositivo e de
largura de banda tentando garantir confiabilidade e garantia de entrega” (MARTINS,
2016).
MQTT é um protocolo de camada de aplicação que por possuir confiabilidade
e baixo consumo como requisitos de sua implementação, o faz um grande candidato
a ser aplicado em redes de internet das coisas. Uma das grandes vantagens do
MQTT é a eficiência energética do modelo “publish/subscribe” para troca de
mensagens, que também escala muito bem (MARTINS, 2016).
A arquitetura do protocolo segue o modelo cliente/servidor, onde cada sensor
é um cliente que se conecta a um servidor, conhecido como broker. Por ser
orientado a mensagens cada mensagem é um pacote discreto de dados, opaco ao
broker. Toda mensagem é publicada em um endereço, chamado tópico. Cliente
podem se subscrever em vários tópicos. Cada cliente subscrito a um tópico recebe
todas mensagens publicadas neste tópico (JAFFEY, 2014).
7.5 FABRICAÇÃO DIGITAL
A fabricação digital, apontada pelo movimento MAKER como a nova
revolução industrial (NASSIF, 2016), é dada através de confecção de componentes
através de modelos 3D digitais.
40
Segundo Gibson, Rosen e Stucker(2014) o desenvolvimento de um modelo
3D é dado através de um software CAD (Desenho Auxiliado por Computador),
equipamentos especiais como scaners 3D também podem ser utilizados. Para
Narayan, Rao e Sarcar(2008) os softwares CAD têm auxiliado a engenharia,
permitindo criar modelamentos matemáticos em 3D simulando suas formas e
montagens ainda na fase de desenvolvimento, permitindo aprovações de design
com facilidade, evitando desperdícios de tempo e recursos com fabricação. Segundo
NITSCHE(2002) o que torna a ferramenta CAD tão atrativa e eficiente é o fato de
permitir comunicação com diversos tipos de software como Gerenciamento de
Dados do Projeto, Project Data Management (PDM) e Gerenciamento de Vida do
Produto, Product Lifecycle Management (PLM),para aprovação em tempo real e
acompanhamento do processo de desenvolvimento do produto, Engenharia
Auxiliada por Computador,Compute Aided Engineering (CAE), para simulações de
seus comportamento e Manufatura Auxiliada por Computador, Computer Aided
Manufacturing (CAM), para interagir com o processo de fabricação, o que configura
Fabricação Digital.
Os processos de fabricação que se utilizam de softwares CAM para produzir
peças a partir de um modelo digital são divididos em 2 grupos sendo remoção de
material e adição de material (CANCIGLIERIJUNIOR, O., SELHORST JUNIOR, A. e
SANT'ANNA, 2015).
Entre os processos que trabalham com remoção de material, os mais comuns
são os de Corte CNC (Comando Numérico Computadorizado) e Usinagem CNC
(ALTINTAS, 2012). Dentre os processos de corte se resumem à fabricação em 2D e
os processos usuais são Corte a jato d'água, Oxicorte e Corte à Laser. Por outro
lado, na usinagem CNC consegue-se modelos em 3D com alto grau de refinamento
e detalhes, dependendo do refinamento e da quantidade de eixos adicionais
existentes nos equipamentos, onde pode ser centro de fresamento CNC com 3,4,5
ou mais eixos e centro de torneamentos CNC com ferramentas acionadas ou não
(VOLPATO, 2014).
No outro lado, existem os processos de adição de material que consiste em
"depositar material em camadas, cada camada sendo uma fina secção de uma peça
derivada de um modelo CAD" (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2014), os processos
mais comuns são modelamento por deposição de material, ou Fused Deposition
Modeling(FDM) no inglês, e o mais refinado estereolitografia. No FDM o material é
41
fundido através de uma resistência elétrica e é depositado em uma mesa móvel
controlada por um comando numérico XYZ através de um software CAM, que cria
os modelos camada à camada já na forma desejada (CLIEVER, 2017). Na
estereolitografia, um fotopolímero é modelado através de um laser ultravioleta,
conferindo um melhor acabamento ao componente fabricado (3D Systems).
A primeira impressora 3D teve origem na Califórnia, grande polo de
desenvolvimento tecnológico, pelas mãos de Chuck Hull em 1984 (LIPSON;
KURMAN, 2013). Desde então a impressão 3D tem ganhado espaço em todo o
mundo pela facilidade de desenvolver soluções práticas desde problemas simples a
complexos encontrados no dia a dia, devido ao seu conceito de confecção livre. Em
sua maioria, seu funcionamento é através de um sistema CNC de coordenadas XYZ
onde é acoplado um sistema de fusão de filamentos de polímero (geralmente PLA
ou ABS) que vai depositando a matéria prima fundida em camadas para formar o
objeto desejado. Devido a sua simplicidade a solução vem sendo barateada em
razão de diversas soluções simples e um menor refinamento dos equipamentos,
mas não diminuindo sua precisão (NETO, 2016).
7.5.1 Modelagem em software CAD
Modelo criado em software CAD, visando atender todos os requisitos de
funcionamento e design para atender sua função e trabalhar da melhor forma com o
sistema como exemplificado na figura 6.
42
Figura 6: Modelo tampa de bomba de óleo em software CAD.
Fonte: Autoria própria (2017).
7.5.2 Software CAM
O modelo é então exportado em formato Linguagem de Teselagem
Estereolitográfico, ou Stereolithographic Tesselation Language(STL), que é
composto por triângulos, e é vastamente utilizado em análise de elementos finitos e
impressões 3D por dividir a peça em vários triângulos menores, que então é
interpretado pelo software CAM que prepara o modelo para a fabricação dividindo-o
em camadas (RODRIGUES, 2010).
43
Figura 7:Modelo com linhas de impressão gerados por software CAM.
Fonte: Autoria própria (2017).
Então o Software CAM, após gerar a estratégia de impressão, envia e
coordena o processo para a impressora, que derrete o filamento do material
escolhido e imprime o modelo camada à camada.
Figura 8: Funcionamento básico de uma impressora 3D FDM.
Fonte: Adaptado de CAMPBELL et al ., 2011
44
Figura 9: Produto final impresso.
Fonte: Autoria própria (2017).
8 METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO
8.1 ÁREA DE CULTIVO PARA TESTES
Para testar a solução proposta neste trabalho, foi projetada e montada uma área de
cultivo em âmbito urbano. Está área foi criada para simular o ambiente de uma horta
comunitária, portanto, foi construída horizontalmente. Para criar um ambiente
adequado para os testes, a área de cultivo foi criada respeitando algumas
características, são elas:
O cultivo deve ser orgânico, seguindo lei nº 10.831 de 23 de dezembro de
2003, porém sem a necessidade de certificação por auditoria fiscal.
O sistema de irrigação deve ser por gotejamento, visando o maior
aproveitamento dos recursos hídricos disponíveis.
A área de cultivo deve ser fechada com tela de metal, para proteção do cultivo
contra aves e outros animais.
A área de cultivo deve receber uma tela com malha fina na parte superior,
para evitar a compactação do solo pela chuva.
45
O solo destinado ao cultivo deve estar isento de agentes contaminantes, e só
poderá receber em sua vida útil biofertilizantes naturais que não oferecem
perigos aos agricultores ou aos consumidores da produção.
Os produtos oriundos do cultivo não deverão ser comercializados, porém
poderão ser doados.
Primordialmente, cultivo de hortaliças folhosas de ciclo curto (alface, rúcula,
almeirão, espinafre, etc.)
Figura 10:Área de cultivo para testes, em construçã o.
Fonte: Autoria própria (2017).
A área de cultivo foi construída com blocos de cimento, madeira de pinus para
a armação e sustentação dos blocos e telas de plástico e aço, conforme evidênciado
na figura 10, 11 e 13. Vale salientar que não foi utilizado nenhum tipo de selante, ou
adesivo entre os blocos de cimento. Eles foram apenas posicionados no seu devido
lugar, e posteriormente, travados com uma ripa de pinus.
46
Figura 11: Dimensões da área de cultivo
Fonte: Autoria própria (2017).
A composição do solo utilizada, e a disposição dos componentes de
drenagem foram elaboradas conforme apresentado na figura 12. Para a drenagem
do solo, foi utilizado brita Nº0. Para a retenção dos nutrientes e das partículas do
solo, foi adicionado uma manta vegetal bidim sobre a pedra, antes do solo ser
depositado.
Figura 12: Disposição dos componentes de drenagem d a área de cultivo.
Fonte: Autoria própria (2017).
Como o cultivo é essencialmente orgânico, através de contato com os
agricultores locais elaboramos a seguinte mistura para compor o solo:
47
Terra vegetal, 70%.
Húmus de minhoca, 15%.
Esterco de aves curtido, 5%.
Areia de construção lavada, 10%.
O húmus de minhoca e a terra vegetal fornecem toda a matéria orgânica
básica para o desenvolvimento das plantas. O esterco de aves curtido foi
selecionado devido à alta carga de nitrogênio que ele é capaz de fornecer para o
solo. O nitrogênio é amplamente absorvido pelas plantas no processo vegetativo,
que é o processo onde as plantas desenvolvem o caule e as folhas. Como o cultivo é
primordialmente para hortaliças folhosas de ciclo curto, a carga extra de nitrogênio
no solo proporciona a máxima eficiência para este tipo de cultivo.
A areia de construção lavada foi adotada para realizar duas funções: Melhorar
a drenagem do solo e evitar a compactação. A compactação é um problema que
atrapalha o desenvolvimento das raízes das plantas, bem como a oxigenação do
solo.
Figura 13: Área de cultivo finalizada.
Fonte: Autoria própria (2017).
Para o sistema de irrigação, foi escolhido o método de gotejamento.A
irrigação superficial por gotejamento oferece oportunidade para o uso racional dos
recursos hídricos, assegura a produtividade, maior rendimento e a possibilidade da
aplicação de biofertilizantes, como o chorume oriundo de composteiras,
simultaneamente ao processo de irrigação (NOGUEIRA; COELHO; LEÃO, 2000).
48
As mangueiras de gotejamento escolhidas, mostradas nas figuras 14 e 15
possuem diâmetro de 12,7 milímetros e furos que permitem o fornecimento de água
para as plantas. Foram escolhidas duas mangueiras para esta área de cultivo, a
primeira com um espaçamento longitudinal de 200 mm entre os furos, e a segundo
com espaçamento de 100mm. Ao todo, foram três linhas de irrigação longitudinal à
área de cultivo, sendo que duas linhas com mangueiras de espaçamento 100 mm, e
uma com espaçamento de 200 mm.
Figura 14: Irrigação por mangueiras de gotejamento.
Fonte: Autoria própria (2017).
Figura 15: Mangueira de irrigação por gotejamento c om espaçamento de 100 mm.
Fonte: Autoria própria (2017).
49
8.2 PROJETO MECÂNICO
Para o projeto mecânico, foram levantados todas as necessidades e
particularidades do sistema, e a partir dessas especificações foi desenvolvido o
projeto mecânico em Software CAD SolidWorks® conforme ilustrado na figura 16.
Figura 16: Conjunto Modelado em Software CAD SolidW orks ®. Fonte: Autoria própria (2017).
Após o modelamento, devido às funções, características e processos fabris,
o sistema foi dividido em duas partes principais, corpo principal e condutores.
50
8.2.1 Corpo principal
O corpo principal tem a função de receber todos os componentes eletrônicos
do sistema e proteger os componentes eletrônicos das condições climáticas como a
umidade e outros agentes externos que possam comprometer seu funcionamento
e/ou durabilidade, para tal ele precisa conter os suportes, acoplamentos
necessários, ser impermeável, e resistente a intempéries.
Para a confecção do corpo principal, foram estudadas duas técnicas de
manufaturas diferentes: a injeção plástica e a impressão 3D. Para a injeção temos
fatores prós e contras.
Fatores favoráveis a injeção plástica:
Alta produtividade.
Baixo custo por unidade.
Fácil estanqueidade das peças.
Fatores desfavoráveis à injeção plástica:
Alto investimento inicial;
Pouco receptível a alterações de projeto.
Custo de manutenção.
Já a fabricação digital por manufatura aditiva, por exemplo impressão 3D, apresenta
os seguintes fatores favoráveis:
Baixo investimento inicial;
Totalmente receptível a alterações de projeto;
Baixo custo de manutenção.
Projeto pode ser compartilhado em formato digital, possibilitando usuários a
fabricação in loco.
E os seguintes fatores desfavoráveis:
Custo por unidade alto.
Produtividade baixa.
Dificuldade para deixar estanque.
Devido ao projeto se encontrar em estado de desenvolvimento, e o problema da
estanqueidade ser contornável com processos de fabricação e de projeto, a solução
adotada foi a impressora 3D mostrada na figura 17.
51
Figura 17: Impressora 3D utilizada para fabricação, modelo Graber i3 modificada.
Fonte: Autoria própria (2017).
Uma vez adotado o processo de fabricação por manufatura aditiva, foram
encontradas algumas particularidades que afetariam diretamente no resultado
esperado. Para fabricar a rosca que garante o fechamento do conjunto, devido à
precisão, atrito e deformação do material durante a fabricação, se tornou inviável
utilizar o padrão métrico da rosca conforme a norma NBR ISO 724, sendo assim foi
criado uma rosca específica para atender os pré-requisitos do projeto e permitir a
fabricação por manufatura aditiva.
Para atingir os pré-requisitos de estanqueidade, outras particularidades de
projeto foram observadas. Para atingir uma malha satisfatória, e um padrão de
impressão aceitável que pudesse garantir a vedação, os modelos foram fabricados
com as suas bases apoiadas diretamente na mesa da impressora 3D, afim de evitar
a necessidade de criar suportes de impressão, o que afeta diretamente a qualidade
da malha impressa.
52
Figura 18: Modelo matemático da tampa já posicionad o na posição ideal de impressão .
Fonte: Autoria própria (2017).
Para garantir a vedação entre a tampa e o corpo, foi utilizado um anel O’ring
de diâmetro interno de 90mm, diâmetro de secção de 2,5mm, confeccionado em
plástico fluorcarbono, conhecido por sua resistência a condições extremas. Para a
sua aplicação, foi projetado um alojamento para o O’ring no corpo e na tampa, que,
ao montá-lo em sua condição final, sofra uma deformação de 10% a fim de garantir a
vedação solicitada.
Figura 19: Representação do conjunto montado. Tampa , corpo e O’ring.
Fonte: Autoria própria (2017).
Para a validação do método, o equipamento foi testado em campo, ficando
suscetível às variações climáticas e adversidades do clima, como chuva, vento etc. e
onde o equipamento continuava a funcionar sem alguma avaria e não houveram
detecção de infiltração ou umidade excessiva.
53
8.2.2 Condutores do sensor de umidade
Os condutores do sensor de umidade foram confeccionados em liga de aço
Inox AISI 304. A liga garante que o condutor não vai oxidar prematuramente, sendo
ideal para estar em contato com o solo e umidade. O condutor possui uma rosca
especial M8X1,00 na parte superior, realizada em torno convencional, para sua
fixação no corpo do dispositivo e é conectado via emenda fabricada na impressora
3D.
Figura 20: Modelo matemático Condutor do Sensor de umidade/ condutor do sensor de
umidade fabricado.
Fonte: Autoria própria (2017).
54
8.3 PROJETO ELETRÔNICO
O projeto dos circuitos eletrônicos foi desenvolvido com o auxílio do software
aberto KICAD, e consiste em um sistema embarcado puro, contendo adequação da
tensão de alimentação através de topologia buck para os circuitos digitais e
regulador linear para os circuitos analógicos, filtros RC para estabilização de sinais,
microcontrolador modelo esp8266 e conversor analógico digital em rede I²C
topologia mestre-escravo. Foram utilizados neste projeto o microcontrolador com
módulo wi-fi ESP8266-ESP07 da espressif, e o conversor analógico digital ADS1115
fabricado pela Texas Instruments®.
8.3.1 Esquema eletrônico
Para ser possível fazer uma placa de circuito impresso compacta, que
coubesse no encapsulamento mecânico desejado, devido aos meios de fabricação
disponíveis, foi necessário dividir o projeto eletrônico em duas placas, a
“powerboard”, e “core board”.
8.3.2 Power board
Essa placa contém os circuitos de adequação de tensão para os circuitos.
Pela necessidade de uma tensão de 12 volts para a válvula solenoide, pois não foi
encontrado uma válvula solenoide comercial que poderia ser alimentada em 3,3 volts
como o resto do circuito, foi necessário ter uma fonte externa que converte a tensão
da rede em 12 volts, e depois abaixar essa tensão para 3,3 volts para o resto dos
circuitos digitais.
Após alguns testes, percebe-se que a corrente necessária para os circuitos
alimentados em 3,3 volts era em torno de 700 mA, e se utilizássemos apenas o
regulador linear LM317 para baixar a tensão de 12 V para 3,3V, seria uma potência
55
dissipada muito grande, levando a um superaquecimento do circuito que deve estar
preparado para ficar em temperaturas elevadas por ter exposição direta aos raios
solares. Por essa razão, a placa powerboard tem dois tratamentos de tensão. Um
com o regulador linear LM317, onde este alimenta os sensores; e outro com o
regulador de tensão LM2596, que fornece energia para os circuitos digitais. Na figura
21, pode ser visto o esquemático do regulador linear LM317, que foi dimensionado
para fornecer até 1 ampere de corrente, 3,3 V, e pode ser ligado ou desligado
através dos transistores Q1 e Q2, controlados pela GPIO 12 do microcontrolador.
Figura 21: Alimentação dos circuitos analógicos.
Fonte: Autoria própria (2017).
Na figura 22, é apresentado o esquemático do regulador de tensão LM2596, que é
um conversor DC-DC do tipo Step-Down com ótima eficiência. Foi projetado
seguindo as instruções do seu manual fornecido pelo seu fabricante, a Texas
Instruments(2016, p. 15), para fornecer 3,3 V e corrente máxima de 1 ampere, para
fornecer energia para os circuitos digitais.
56
Figura 22: Alimentação dos circuitos analógicos.
Fonte: Autoria própria (2017).
O restante do esquemático se trata de conectores, e o acionamento da
válvula solenoide, que é controlada pela GPIO 13 do microcontrolador. Como é
mostrado na figura 23.
Figura 23: Alimentação dos circuitos digitais
Fonte: Autoria própria (2017).
57
8.3.3 Core Board
A placa principal, que contém o microcontrolador, foi nomeada de Core
Board, ela contém as ligações necessárias para manter o ESP8266 ESP-07
funcionando como o desejado. As GPIOs5 e 4 são usadas para a comunicação I²C
entre o microcontrolador e o conversor analógico digital, ADS1115, da Texas
Instruments(2017). Os pinos 1 e 2 são TX e RX, respectivamente, para comunicação
com um chip externo, o FT232RL, um conversor USB-TTL para gravação do
firmware. O restante são ligações básicas, recomendadas pelo fabricante, para o
bom funcionamento do microcontrolador, conforme a figura 24.
Figura 24: Esquemático parcial da placa Core board.
Fonte: Autoria própria (2017).
O ADS1115, figura 25, foi utilizado em um módulo pronto para seu uso, com
fornecimento de energia externa, e a comunicação via I²C com o microcontrolador. O
módulo utilizado foi feito pela ADAFRUIT, e tem seu projeto disponível para
download.
58
Figura 25: Módulo ADS1115.
Fonte: Disponível em <https://www.adafruit.com/prod uct/1085>
Terminado o projeto, foi feita a confecção do protótipo para testes. As trilhas
das placas foram obtidas através de um processo artesanal com tinta fotossensível,
e então corroída com percloreto de ferro. Ao final do processo, foram obtidas as
placas mostradas na figura 26.
Figura 26: Placas do protótipo finalizadas.
Fonte: Autoria própria (2017).
Mesmo tendo sidas construídas artesanalmente, as placas atenderam o
propósito e apresentaram resultados satisfatórios, sendo possível fazer os testes
para calibração do sensor de umidade, e aquisição de dados dos outros sensores.
O formato hexagonal das placas se deve ao propósito de fazer um protótipo
de tamanho reduzido, e com o encapsulamento de formato cilíndrico. Pelo processo
de aplicação dos fotolitos terem sidos feitos de forma manual e a corrosão das trilhas
59
não ser muito preciso, foi usado o espaçamento mínimo entre as trilhas de 0,8 mm,
ocasionando também na necessidade de dividir um projeto em duas placas.
As placas foram alocadas no encapsulamento mecânico depois de
encaixadas, conforme a figura 27.
Figura 27: Placas encaixadas prontas para serem enc apsuladas.
Fonte: Autoria própria (2017).
8.3.4 Testes de viabilidade da utilização do sensor de umidade
Os testes para determinar a eficácia do sensor de umidade do solo usado
neste trabalho, exigiu a construção de algumas baterias de corpos de prova com
umidade de solo conhecidas. Para isso, utilizamos o conceito de umidade
gravimétrica, que é definida pela equação 2:
é%
á
(2)
Definiu-se medidas de umidade gravimétrica do solo as grandezas de 5%,
10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% e 90%. Com os pontos de interesse
definidos, partiu-se para a preparação dos corpos de testes, que foram
confeccionados com tubos de PVC de mesmo diâmetro e comprimento, conforme a
figura 28. Com os corpos de prova prontos, iniciou-se a preparação terra. Os testes
60
foram realizados com apenas um tipo de solo, que é um solo ideal para o plantio de
hortaliças (com alta porcentagem de matéria orgânica), também para a padronização
dos testes; e a partir disso, retiramos a umidade da terra com um procedimento que
consistiu em levar a terra a um forno à 70ºC por 8 horas a fim de obtermos a
desidratação da terra (resistência maior que 20MΩ), sem retirar propriedades dela.
Então foi adicionado a cada corpo de prova 250g de terra e então adicionado a
quantidade necessária de água para atingir as faixas solicitadas, misturando o
produto e aguardando até que o substrato entrasse em homogeneidade.
Figura 28: Testes para sensor de umidade em corpos de prova padrão.
Fonte: Autoria Própria (2017).
Os testes foram realizados com dois sensores, inicialmente para primeira
validação foram realizados 12procedimentos, sendo 6 deles com temperatura de 17º
C e umidade relativa do ar em 77%; e os outros 6 com temperatura de 25ºC e
umidade relativa do ar de 29%. Foram feitos três tipos de medidas da resistência do
solo: medição direta com o multímetro de bancada Minipa MDM-8165A fornecido
pela UTFPR, medição indireta por meio da equação 3 com auxílio do multímetro de
bancada, e com a medida obtida através do sistema proposto. Através do
conhecimento do valor tensão aplicada ao circuito, e com a medida da queda de
tensão em cima do sensor com multímetro, a medição indireta da resistência pode
ser feito através da seguinte equação 3, que foi obtida através da análise de um
circuito divisor de corrente, entre e .
(3)
61
Onde é a resistência do solo, é a resistência conhecida no divisor de
tensão, é a queda de tensão em cima do sensor de umidade do solo, e é a
tensão aplicada no circuito.
Os resultados obtidos são demonstrados a seguir:
Tabela1: Tabela de dados recolhidos nos testes do s ensor de umidade de solo (dia 1 - 1).
Dia 1 - Sensor 1
Temperatura: 17ºC Umidade relativa do ar: 0,77 Massa de terra [g]: 250
Resistência (direta)
[Ohm]
Resistência (indireta
com multímetro) [Ohm]
Resistência (indireta)
[Ohm]
vaso
Umidade
[%] 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Vaso 1 5 1,4M N/A 0,96M 0,95M 0,97M 1,8M 1,1M 1,5M 2M
Vaso 2 10 230K 1100K 763K 456K 252K 190K 129K 334K 249K
Vaso 3 20 44000 55000 90000 87256 40809 52714 101674 50659 60055
Vaso 4 30 30000 27000 5300 7943 17902 7943 8529 19344 8770
Vaso 5 40 3700 4000 1445 3306 4185 2290 4044 4682 2472
Vaso 6 50 8300 1900 2500 3306 2385 3306 3858 2621 3792
Vaso 7 60 950 9000 7500 1622 2720 2846 2133 2822 2986
Vaso 8 70 4400 8000 6800 2859 2400 2699 2927 2562 2921
Vaso 9 80 16000 7000 16860 2762 2703 2846 3065 2878 2958
Vaso 10 90 80000 N/A 15000 3528 2923 2846 3870 2995 2966
Fonte: Autoria própria (2017).
62
Tabela 2: Tabela de dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo (dia 1 - 2).
Dia 1 - Sensor 2
Temperatura: 17ºC Umidade relativa do ar: 0,77 Massa de terra [g]: 250
Resistência (direta)
[Ohm]
Resistência (indireta)
[Ohm]
Resistência (indireta)
[Ohm]
vaso
Umidade
[%] 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Vaso 1 5 1,9M N/A 1,45M 0,94M 0,73M 2,5M 0,98M 0,5M 0,53M
Vaso 2 10 280k 1300k 1320k 158k 214k 295k 198k 320k 408k
Vaso 3 20 59k 290k 65k 50k 27k 47k 58k 31k 63k
Vaso 4 30 20000 42500 14000 18512 14163 15556 22944 16162 17319
Vaso 5 40 3200 5500 5500 4000 4839 4185 4700 5301 4773
Vaso 6 50 2900 5000 5500 3861 4703 3529 5087 5689 3487
Vaso 7 60 2200 5000 2200 3290 3198 3528 3371 3698 3630
Vaso 8 70 11000 2700 11000 3480 3465 3677 3802 3684 3993
Vaso 9 80 23000 3000 N/A 2888 3001 3198 3087 3128 3922
Vaso 10 90 20000 5000 N/A 3117 2932 3933 3856 3380 17970
Fonte: Autoria Própria (2017)
Tabela 3: Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo (dia 2 - 1).
Dia 2 - Sensor 1
Temperatura: 17ºC Umidade relativa do ar: 0,77 Massa de terra [g]: 250
Resistência (direta)
[Ohm]
Resistência (indireta)
[Ohm]
Resistência (indireta)
[Ohm]
vaso Umidade[%] 1 1 1
Vaso 1 5 82000 89474 106587
Vaso 2 10 82000 43543 51178
Vaso 3 20 70000 19143 23338
Vaso 4 30 55000 7256 8047
Vaso 5 40 199000 8746 9430
Vaso 6 50 152000 2595 3202
Vaso 7 60 102000 3965 4419
Vaso 8 70 130000 3144 3870
Vaso 9 80 140000 3234 4982
Vaso 10 90 99000 3372 3801
Fonte: Autoria Própria (2017)
63
Tabela 4: Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo (dia 2 - 2).
Dia 2 - Sensor 2
Temperatura: 17ºC Umidade relativa do ar: 0,77 Massa de terra [g]: 250
Resistência
(direta)[Ohm]
Resistência
(indireta)[Ohm]
Resistência
(indireta)[Ohm]
vaso Umidade[%] 1 1 1
Vaso 1 5 330000 878993 6414984
Vaso 2 10 1600000 52384 59465
Vaso 3 20 1350000 25889 30766
Vaso 4 30 90000 7535 9099
Vaso 5 40 390000 6639 7447
Vaso 6 50 100000 4515 4982
Vaso 7 60 170000 4071 4531
Vaso 8 70 32000 3611 4381
Vaso 9 80 NA 4515 4948
Vaso 10 90 NA 4515 34437
Fonte: Autoria Própria (2017)
8.3.5 Confiabilidade do sensor
Com os resultados obtidos foi possível notar uma inconsistência na
resistência observado em valores com muito baixa umidade (5%) e em muito alta
umidade (a partir de 60%), por outro lado, essas condições são totalmente
inapropriadas para o plantio dos vegetais alvos, pois o valor de 5% é muito seco,
impossibilitando o plantio de hortaliças comuns, assim como o de extrema umidade
que possui pouquíssimos exemplos de vegetais que possam ser cultivados nestas
condições.
A partir de uma pré-avaliação observada nos primeiros testes, inicia-se a
validação efetiva do equipamento, partindo para um Controle Estatístico de Processo
(CEP). O CEP tem por objetivo apontar sinais de instabilidade ao longo do tempo
para controle da variação, previsão do comportamento, aumentar confiança, etc.
Para tal, são geradas cartas de controle que indicam se o processo é estável e
capaz (Fiterman et al., 2004). Nos estudos CEP são utilizadas duas cartas de
controle, a carta das médias, que indica a tendência do processo, e a carta das
64
amplitudes, que indica a dispersão do mesmo. Para a formação da carta de controle,
precisamos definir as linhas de LSE/LIE (Limite Superior Especificado/Limite Inferior
Especificado) que são os limites definidos para cada faixa, LSC/LIC(Limite Superior
de Controle/Limite Inferior de Controle) limites de controle calculados através das
médias e amplitudes e a LM (Linha Média) que indica a linha média do processo
através das amostras coletadas (Alencar et al., 2004).
Para afirmar que o Processo é Capaz, precisamos verificar dois índices,
Capacidade Potencial do Processo (CP) que leva em conta a variabilidade do
processo e o CPK que leva em conta a centralização da variabilidade. Segundo
Spiandorello (2017), a variação do índice CPK em um processo deve ser no mínimo
1,67, pois assim, a variação é consideravelmente menor que o campo de tolerância,
o que proporciona segurança ao sistema de medição pois a probabilidade de
medição não conforme é muito baixa.
Para o cálculo do CP utilizamos a fórmula 4:
(4)
Onde, LSE e LIE são respectivamente o limite superior e inferior de
especificação, e !é o desvio padrão estimado. Para a avaliação dos índices
calculados temos que:
Processo incapaz: CP <1
Processo aceitável: 1"CP"1,33
Processo Capaz: CP>1,33
Já para o cálculo do CPK utilizamos a fórmula 5 a seguir:
(5)
Onde, #é a média do processo. Para a avaliação dos índices calculados
temos:
Processo incapaz: CPK <1
Processo aceitável: 1"CPK"1,33
65
Processo Capaz: CPK>1,33
Utilizando do CEP foram realizados testes com 20 corpos de prova por faixa
de medição, sendo aplicado o controle para a validação do processo de medição
conforme testes e CEPS detalhados na tabela 5.
Tabela 5 - Valores medidos para a geração do CEP.
Resistência Aferida [Ohm]
Umidade
Vaso 5% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%
Vaso 01 8,90M 231,7K 64,89K 13,3K 5,30K 4,20K 3,437K 3,036K 3,050K 4,699K
Vaso 02 9,59M 224,0K 59,76K 13,0K 5,27K 4,13K 3,440K 3,051K 2,978K 3,779K
Vaso 03 7,71M 206,2K 55,74K 13,4K 5,19K 4,17K 3,439K 3,052K 3,112K 3,372K
Vaso 04 7,02M 195,3K 55,83K 15,6K 5,21K 4,14K 3,413K 3,060K 3,605K 3,997K
Vaso 05 8,32M 192,7K 43,22K 13,7K 5,29K 4,05K 3,408K 3,033K 4,343K 3,415K
Vaso 06 7,77M 223,2K 57,38K 13,5K 5,22K 4,05K 3,407K 3,036K 3,235K 3,936K
Vaso 07 9,20M 220,4K 46,02K 13,9K 5,29K 4,05K 3,444K 3,031K 2,994K 3,475K
Vaso 08 11,1M 185,9K 49,60K 12,3K 5,25K 4,06K 3,418K 3,060K 2,899K 3,660K
Vaso 09 8,26M 250,8K 57,48K 13,1K 5,30K 4,02K 3,479K 3,049K 3,525K 4,242K
Vaso 10 8,44M 220,1K 50,86K 13,7K 5,28K 4,15K 3,427K 3,058K 2,972K 3,097K
Vaso 11 6,75M 226,6K 44,43K 13,9K 5,29K 4,06K 3,412K 3,044K 2,911K 3,799K
Vaso 12 7,51M 256,7K 49,87K 13,9K 5,28K 4,07K 3,478K 3,050K 4,055K 3,607K
Vaso 13 8,43M 197,5K 49,54K 15,0K 5,25K 4,19K 3,429K 3,056K 3,525K 3,398K
Vaso 14 7,54M 196,0K 54,79K 14,2K 5,23K 4,02K 3,498K 3,065K 2,793K 4,083K
Vaso 15 8,14M 257,4K 62,02K 13,7K 5,27K 4,10K 3,442K 3,035K 3,544K 3,821K
Vaso 16 7,94M 190,7K 56,47K 14,4K 5,18K 4,04K 3,471K 3,048K 3,489K 3,843K
Vaso 17 7,10M 243,1K 56,91K 14,0K 5,26K 4,10K 3,438K 3,054K 2,694K 3,519K
Vaso 18 9,40M 212,2K 54,50K 13,2K 5,29K 4,05K 3,469K 3,045K 3,773K 3,575K
Vaso 19 8,53M 213,0K 54,90K 14,2K 5,25K 4,09K 3,445K 3,051K 3,688K 2,762K
Vaso 20 6,13M 251,4K 59,07K 12,7K 5,21K 4,05K 3,458K 3,049K 2,390K 2,469K
Fonte: Autoria própria (2017)
A partir dos dados obtidos, foram geradas as cartas para cada faixa de valor
medido.
05%: Para o campo de 5%, o corpo de prova foi acrescentando 12,5g de água
para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
66
resistência medida deve estar entre 1,3 MΩ e 400 kΩ, os valores obtidos
geraram o resultado apresentado na figura 29:
Figura 29: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 5%
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
Com os valores gerados, podemos ver que o processo é capaz, porém
pouco estável, ainda que dentro de um valor aceitável, isso devido ao fato da
dificuldade de se ter uma homogeneidade da umidade na amostra. Por outro lado,
além de não ter valores de resistência superiores esperados, não há uma
interferência na validação, além de que, para o foco da utilização do equipamento,
há uma gama extremamente restrita de vegetais que podem se desenvolver
adequadamente nesta condição extrema.
10%: Para o campo de 10%, o corpo de prova foi acrescentando 25g de água
para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
resistência medida deve estar entre 400kΩ e 90kΩ, os valores obtidos
geraram o resultado apresentado na figura 30:
67
Figura 30: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 10%.
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
Com os valores gerados, podemos ver que o processo é capaz, e estável,
porém próximo ao limite do valor ideal esperado no CPK, também devido ao fato da
dificuldade de uma homogeneidade adequada, ainda que conseguindo um resultado
muito superior.
Com um valor já mais utilizável e uma melhor condição de medição, nota-se
que o equipamento consegue um resultado mais preciso e com repetibilidade maior.
20%: Para o campo de 20%, o corpo de prova foi acrescentando 50g de água
para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
resistência medida deve estar entre 90 kΩ e 20kΩ, os valores obtidos geraram
o resultado apresentado na figura 31:
68
Figura 31: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 20%.
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
Com os valores gerados, podemos ver que o processo de medição é capaz
e estável conseguindo já índices satisfatórios, devido às condições de medições
melhores.
30%: Para o campo de 30%, o corpo de prova foi acrescentando 75g de água
para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
resistência medida deve estar entre 20 kΩ e 8 kΩ, o resultado apresentado na
figura 32:
69
Figura 32: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 30%.
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
Com os valores gerados, podemos ver que o processo de medição é capaz
e estável, mesmo com um campo menor de trabalho, o que confirma o fato que as
condições ideais de medições aumentam a repetibilidade e, em consequência, a
confiança do equipamento.
40%: Para o campo de 40%, o corpo de prova foi acrescentando 100g de
água para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
resistência medida deve estar entre 8 kΩ e 5 kΩ, os valores obtidos geraram o
resultado apresentado na figura 33:
70
Figura 33: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 40%.
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
Podemos ver que o processo de medição é capaz e estável, se mantendo
com bons índices com campos cada vez menores.
50%: Para o campo de 50%, o corpo de prova foi acrescentando 125g de
água para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
resistência medida deve estar entre 5 kΩ e 3,75 kΩ, os valores obtidos
geraram o resultado apresentado na figura 34:
71
Figura 34: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 50%.
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
O processo ainda é capaz e estável, porém nota-se que ao diminuir a faixa
de trabalho aproximando os limites do sistema interfere nos índices de capacidade e
estabilidade do processo,quanto menor a faixa, mais efeito no CPK.
60%: Para o campo de 60%, o corpo de prova foi acrescentando 150g de
água para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
resistência medida deve estar entre 3,75 kΩ e 3,25 kΩ, os valores obtidos
geraram o resultado apresentado na figura 35:
72
Figura 35: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 60%.
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
O índice de capabilidade e estabilidade ainda se mantém em um valor baixo
devido ao pequena faixa de trabalho, estreitando os limites fazendo os índices
diminuírem.
70%: Para o campo de 70%, o corpo de prova foi acrescentando 175g de
água para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
resistência medida deve estar entre 3,25 kΩ e 3 kΩ, os valores obtidos
geraram o resultado apresentado na figura 36:
73
Figura 36: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 70%.
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
O campo de trabalho limitado faz com que, mesmo o processo de medição
ser capaz de realizar as medidas sem erro, possuir uma baixa repetibilidade, ainda
que pouco abaixo do índice ideal desejado.
80%: Para o campo de 80%, o corpo de prova foi acrescentando 200g de
água para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
resistência medida deve estar entre 3 kΩ e 2,8 kΩ, os valores obtidos geraram
o resultado apresentado na figura 37:
74
Figura 37: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 80%.
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
Nesse caso, a precisão do equipamento não consegue garantir valores
aceitáveis dentro da capabilidade e estabilidade, porém, o estado que se encontra o
substrato é novamente inviável para o cultivo dos vegetais desejados, sendo
extremamente restrito os exemplos que podemos utilizar.
90%: Para o campo de 90%, o corpo de prova foi acrescentando 225g de
água para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a
resistência medida deve estar entre 2,8 kΩ e 2,7 kΩ, os valores obtidos
geraram o resultado apresentado na figura 38.
75
Figura 38: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 90%.
Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).
Novamente, a precisão do equipamento não consegue garantir valores
aceitáveis dentro da capabilidade e estabilidade, e neste caso ainda temos um
agravante, a grande quantidade de água não permite valores mínimos de
homogeneidade, fazendo com sejam emitidos resultados de resistência maior que
alguns índices de umidade menor.
Com as cartas geradas pela ferramenta Sixpack para capacidade normal, do
software Minitab®, aplicando os cálculos para CP e CPK e nos apontando
graficamente,foi observado que para a faixa de valores que desejamos trabalhar, o
equipamento se mostrou muito eficiente e confiável, atingindo as nossas
expectativas e garantindo os requisitos e confiabilidade esperada do nosso
consumidor final.
76
8.3.6 Modelo estático do sensor de umidade de solo
Como se pôde observar, com umidade muito baixa, menor que 30%, a
discrepância dos dados é bem grande, porém os dados vão se adequando quando a
umidade relativa aumenta, até medições de umidade por volta de 70%.
Com auxílio do software R, foram feitos testes para modelos evidenciados
na figura 39, que se encaixam aos dados experimentais, e a curva de powerlaw teve
um coeficiente de adequação de 93%.
O modelo estatístico para o sensor é dado pela equação 6:
. $(&) (. $()) (6)
Sendo:
& Resistência do solo;
) Umidade relativa;
Constante;
( Constante
Figura 39: Gráficos da adequação dos modelos pela f unção de powerlaw pelos dados
experimentais. Fonte: Autoria própria (2017).
77
Tabela 6: Coeficientes obtidos através do software R para o modelo do sensor de umidade do
solo.
Estimativa Erro padrão
Intercepto 17.78146 0.29889
Log(dados$x) -2.32213 0.08239
Fonte: Autoria própria (2017).
Com os coeficientes fornecidos pelo software R, vistos na tabela 6,
encontramos a seguinte função do comportamento do sensor:
& *+,-.+/012(3) (7)
Esses coeficientes foram encontrados com:
Erro padrão residual: 0.5767 com 58 graus de liberdade
R-Quadrado múltiplo:0.932, R-quadrado Ajustado: 0.9308
8.4 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE DO MICROCONTROLADOR
O software do microcontrolador ESP-8266 utilizado no projeto, foi
desenvolvido utilizando a Interface gráfica platformio, que é um ambiente integrado
de desenvolvimento baseado no atom. Pela compatibilidade e confiabilidade, foi
utilizado o ambiente da plataforma Arduino. Os fabricantes do microcontrolador,
fizeram a portabilidade do ambiente para o microcontrolador ESP-8266,
possibilitando que o programador utilize das mesmas bibliotecas e funções
disponíveis para os microcontroladores da empresa Arduino.
Essa portabilidade facilitou o desenvolvimento do software em questão uma
vez que:
O ambiente Arduino é amplamente utilizado na comunidade de
desenvolvedores, tornando rápido o acesso a referências e exemplos
de utilização.
Os autores deste projeto estão familiarizados com o ambiente Arduino.
78
O acesso a bibliotecas confiáveis necessárias no projeto, diminuiu os
esforços necessários para a obtenção dos objetivos.
8.4.1 Sincronia do dispositivo com a rede local
Uma das principais características deste projeto é a capacidade do dispositivo
de se conectar à internet pela rede sem fio para fornecer dados para o usuário. Tal
como qualquer outro dispositivo que se conecta à rede sem fio, como um
computador pessoal ou um celular, são necessários no mínimo duas etapas para
que a conexão tenha sucesso. São elas:
Verificar quais as redes sem fio disponíveis.
Escolher qual rede o usuário deseja se conectar.
Caso a rede seja protegida por senha, o usuário precisa enviar a senha para
o dispositivo (roteador) que ele deseja conectar.
Sendo assim, o dispositivo objeto de estudo deste trabalho, precisa receber
qual a rede sem fio que o usuário deseja estabelecer a conexão, e caso necessário,
qual a senha de acesso à essa rede. No momento em que o dispositivo é energizado
pela primeira vez, o adaptador de rede sem fio presente no microcontrolador, se
comporta como um ponto de acesso sem fio, ou access point, que é basicamente
um servidor de rede sem fio, que pode ou não estar conectado à internet. O usuário
então, se conecta à rede sem fio disponibilizada pelo dispositivo, e em seguida,
realiza as configurações necessárias para que o dispositivo tenha sucesso ao se
conectar na rede sem fio local. O processo de sincronia está exemplificado na figura
40.
79
Figura 40: Processo de sincronia do dispositivo com a rede local.
Fonte: Autoria própria (2017).
Uma vez que o dispositivo testou a conexão com a rede sem fio local e obteve
sucesso, ele deixa de se comportar como um ponto de acesso, e passa a se
comportar como uma estação (station). O dispositivo em modo estação se comporta
de maneira idêntica a qualquer outro dispositivo com capacidade de conexão sem fio
conectado à rede sem fio local. Uma vez em modo estação, caso o dispositivo
verifique a falta de conexão com a rede sem fio local por um tempo superior a dois
minutos, ele retorna ao modo de operação ponto de acesso e continuamente tenta
se conectar à rede local sem fio configurada pelo usuário.
80
8.4.2 Operação do dispositivo
O dispositivo proposto por este trabalho deve realizar as seguintes funções:
Se conectar à rede sem fio local com acesso à internet para publicação dos
valores obtidos do sensoriamento, e para receber comandos.
Monitorar os sensores de luminosidade, temperatura ambiente, e umidade
gravimétrica do solo e publicar no banco de dados para análise futura.
Controlar o funcionamento da válvula de controle de fluxo, realizando a
irrigação quando o solo estiver com umidade gravimétrica abaixo do
especificado para o cultivo.
Recuperar o seu modo de operação em caso de falha momentânea de
alimentação.
Salvar dados localmente em memória não volátil, como o nome e a senha de
acesso da rede em que ele deve se conectar.
Receber e tratar mensagens publicadas especificamente para o dispositivo,
nos tópicos em que ele está inscrito. Um exemplo de comando via mensagem
é a opção “regar agora” que permite o usuário testar o sistema de irrigação
sem passar pelo crivo da lógica dos sensores.
Receber remotamente os horários de irrigação.
A arquitetura escolhida para este software é dividida em duas partes: Setup e
loop. No modo setup, o programa é responsável por configurar alguns parâmetros
necessários para o correto funcionamento do dispositivo. São eles:
Inicializar a comunicação serial transistor transistor logic responsável para
depuração do código, em uma velocidade de 115200 bit/s.
Declarar à quais pinos estão conectados os periféricos presentes no projeto,
como sensores,conversor analógico digital, etc.
Inicializar as bibliotecas dos sensores, responsáveis pela comunicação e/ou
obtenção de dados.
Configurar os tópicos requisitados pela comunicação via protocolo MQTT para
publicação de mensagens.
Inicializar o real time clock do controlador, para se obter a base de tempo
utilizada no software.
81
Inicializar a memória não volátil do microcontrolador, deixando esta pronta
para salvar dados de configuração.
Inicializar o dispositivo em modo ponto de acesso e aguardar ações do
usuário para que ele se conecte à rede local sem fio.
O modo loop é responsável pela leitura contínua dos sensores, verificação do
estado da comunicação e verificar a disponibilidade de mensagens nos tópicos
inscritos relativo ao protocolo MQTT. Um descritivo pontual das sub funções do
modo loop estão descritas abaixo:
Atualizar os valores dos sensores nas memórias voláteis do microcontrolador.
Atualizar o real time clock do microcontrolador via Network Time Protocol.
Publicar os valores dos sensores e informações sobre o estado de operação
do microcontrolador via rede sem fio e protocolo MQTT.
Verificar a disponibilidade de mensagens publicadas nos tópicos em que o
dispositivo está inscrito, como por exemplo o comando “regar agora”.
Verificar se, pelos valores obtidos dos sensores, a irrigação deve ser feita
liberando o fluxo de água pela válvula de controle.
Pela incapacidade do microcontrolador de realizar as equações 6 e 7
necessárias para a conversão dos valores de tensão em umidade gravimétrica do
solo, os valores de tesão são publicados no banco de dados e a conversão é por
processamento em nuvem.
8.4.2.1 Controle da irrigação
A irrigação é configurada remotamente, na qual, por meio da rede sem fio via
protocolo de dados MQTT, o usuário envia ao microcontrolador quais os horários a
válvula de controle de fluxo deve ser liberada. Esta funcionalidade tem operação
parecida com um despertador convencional, onde o usuário pode configurar o
horário de início e a duração da irrigação por gotejamento.
82
A irrigação é programada no momento da instalação do dispositivo, onde o
usuário deve se atentar às condições do ambiente para a correta programação.
Porém, visando um controle em malha fechada, o controlador pode tomar a decisão
de liberar o fluxo na válvula de controle. Essa decisão é tomada de acordo com a
leitura da quantidade de horas de sol direta que a área de cultivo recebe, e a leitura
do sensor de umidade gravimétrica do solo.
O microcontrolador contabiliza quantas horas de sol direto a área de cultivo
recebeu em um dia. Se o valor ultrapassar três horas de sol direto e o valor do
sensor de umidade estiver abaixo do valor mínimo pré-configurado no programa, ele
toma a decisão de iniciar a irrigação. Esta irrigação é realizada em três etapas, com
duração de 2 minutos cada. Após o fim da primeira etapa, o controlador espera 10
min e inicia a segunda etapa, e o processo é repetido para a terceira etapa. Este
controle auxiliar é executado desta maneira para permitir que a água tenha tempo o
suficiente para se espalhar pelo solo, proporcionando leituras mais homogêneas e
menos pontuais.
8.4.2.2 Publicação e subscrição via MQTT
Conforme citado na seção 8.4.3 deste trabalho, a comunicação via protocolo
MQTT funciona pela arquitetura publicação e subscrição. Se um dispositivo pretende
captar mensagens via protocolo MQTT, ele subscreve em um tópico definido pelo
arquiteto do sistema, e a partir do momento em que a subscrição é validada, ele está
apto a ler todas as mensagens que forem enviadas naquele tópico. O mesmo ocorre
quanto ao envio de mensagens, onde o dispositivo publica a mensagem em um
tópico definido pelo arquiteto do sistema.
Os tópicos que o dispositivo está inscrito para receber mensagens do servidor
mostrados na figura 41 são:
schedules: horários de irrigação.
pump Enabled: habilitar ou desabilitar o acionamento da válvula de controle
de fluxo.
pump Now: comando “regar agora” que permite o usuário testar o sistema de
irrigação.
83
resync:comando para esquecer a rede local e a senha configurada.
new Version: comando que indica uma nova versão de software disponível.
Figura 41: Tópicos de inscrição do dispositivo.
Fonte: Autoria própria (2017).
Da mesma maneira, o dispositivo faz publicações em tópicos definidos pelo
arquiteto do software quando ele deseja mandar uma mensagem, mostrado na figura
42. Os tópicos de publicação do dispositivo são:
sensors: tópico onde ele publica os valores de todos os sensores.
heart beat: responsável para que o servidor saiba que o dispositivo está ativo
e conectado. O dispositivo envia uma mensagem vazia no tópico heartbeat a
cada 60 segundos, independente da lógica de operação.
new Version: tópico responsável por receber qual a versão do software do
dispositivo.
84
Figura 42: Tópicos de publicação do dispositivo.
Fonte: Autoria própria (2017).
9 RESULTADOS
A proposta deste estudo, foi desenvolver um sistema de telemetria e
telecomando para suporte à agricultura urbana. O primeiro ponto a ser apresentado
como resultado é o desenvolvimento das plantas sob o sistema proposto no estudo.
85
Figura 43: Plantas cultivadas com auxílio do sistem a de telemetria e telecomando para suporte
à agricultura urbana.
Fonte: Autoria própria (2017).
Na figura 43, podemos notar as plantas 60 dias após o plantio das mudas e
instalação do sistema. Destaque para a alface-crespa, figura 44, que cresceu a
ponto de se diferenciar das plantas de mesmo tipo comumente vendidas nos
mercados locais.
86
Figura 44:Alface-crespa (Lactuca sativa var. crispa ) cultivada no ambiente de teste deste
estudo.
Fonte: Autoria própria (2017).
Conforme figura 45, foi evidenciado também a viabilidade de cultivo orgânico
em ambiente urbano, com uma variedade de plantas maior do que as analisadas
neste estudo.
Figura 45:Variedade de alimentos produzida em âmbit o urbano com auxílio do sistema de
telemetria e telecomando para suporte à agricultura urbana.
Fonte: Autoria própria (2017).
87
O projeto e desenvolvimento do sistema de telemetria e telecomando para suporte à
agricultura urbana foi finalizado dentro do prazo estipulado e obteve como resultado
o controle de irrigação remota do ambiente de teste na região metropolitana de
Curitiba, sendo que a primeira colheita ocorreu 60 dias após o plantio das mudas. O
dispositivo de controle desenvolvido nesse estudo se mostrou robusto a chuva e
umidade permanecendo até a data de elaboração deste documento no local de
cultivo. Foi evidenciado uma estabilidade satisfatória na comunicação sem fio,
permitindo a análise remota dos dados obtidos pelos sensores.
10 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A elaboração de um sistema de telemetria e telecomando para suporte à
agricultura foi concluído com sucesso, visto que foi construído um protótipo funcional
que ao ser submetido à testes, pode-se avaliar os resultados obtidos e verificou-se a
satisfatoriedade para os itens requisitados. O destaque do trabalho, além de
desenvolver um equipamento que auxilie o desenvolvimento da agricultura urbana,
dado como umas das principais formas para combater a escassez de alimentos no
futuro, foi o desenvolvimento do sensor de umidade, devido ao desenvolvimento do
seu conceito, concepção e validação, terem sido dados pelos desenvolvedores,
atingindo valores que atendessem às exigências para o correto funcionamento do
equipamento. A escolha do processo de fabricação para o corpo principal do
equipamento também se mostrou de grande importância, pois o método escolhido
foi a fabricação digital, o que garante o baixo custo de desenvolvimento,
imprescindível para o desenvolvimento do projeto, além de ser extremamente
receptivo às alterações de projeto, necessárias nesse momento de desenvolvimento.
Porém, foi importante atentar a dificuldades de estanqueidades, contornados com
métodos de fabricação, e utilização de vedação externa, que foram satisfatórios ao
realizar-se testes em campo.
88
A aquisição dos demais dados, além da umidade, se dão por sistemas
previamente desenvolvidos, porém, ao reunir todos os dados, abre-se um leque de
possibilidades que agregam um enorme valor ao cultivador:
- Diário de cultivo automatizado (histórico de plantio para servir de
planejamento no próximo ciclo de plantio);
- Descentralizar a tomada de decisão sobre o controle de irrigação (qualquer
um que tenha acesso garantido ao sistema pode executar as funções de
controle);
- Processamento em nuvem dos dados obtidos dos sensores, somados a
entradas do cultivador (qualidade do cultivo, etc.) permite estabelecer e
reconhecer padrões ideais de cultivo.
Dentre as melhorias possíveis do projeto, destaca-se a utilização de sensor
de solo capacitivo ao invés de resistivo, melhoria pela nova versão de
microcontrolador (utilizada ESP8266) pela nova ESP32 com conversor
analógico/digital integrado, a implementação de baterias, energia solar e a
comunicação via GPRS substituindo a WiFi.
89
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ANEXOS
ANEXO A - OVERVIEW DATASHEET ESP8266EX
Espressif’s ESP8266EX delivers a highly integrated Wi-Fi SoC solution to meet the continuous demand for efficient power usage, compact design and reliable performance in the industry. With its complete and self-contained Wi-Fi networking capabilities, ESP8266EX can perform either as a standalone application, or as a slave to a host MCU. When ESP8266EXhosts an application, it promptly boots up from the external flash. The integrated high speed cache optimizes the system's performance and memory. Also, ESP8266EX can be applied to any micro-controller design as a Wi-Fi adaptor through SPI/SDIO or I2C/UART interfaces. Besides the Wi-Fi functionalities, ESP8266EX also integrates an enhanced version of Tensilica’s L106 Diamond series 32-bit processor and on-chip SRAM. It can be interfaced with external sensors and other devices through the GPIOs, resulting in low development cost at early stage and minimum footprint. Software Development Kit (SDK) provides sample codes for various applications. ESP8266EX integrates antenna switches, RF balun, power amplifier, low-noise receive amplifier, filters and power management modules. The compact design minimizes the PCB size and the external circuitry. ESP8266EX enables sophisticated features, such as: • Fast switching between sleep and wake-up modes for efficient energy use; • Adaptive radio biasing for low-power operation; • Advanced signal processing; • Spur cancellation; • Radio co-existence mechanisms for common cellular, Bluetooth, DDR, LVDS, LCD interference mitigation.
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ANEXO B - FEATURES, APPLICATIONS AND DESCRIPTION DATASHEET ADS111x
1 Features • Ultra-Small X2QFN Package:2 mm × 1.5 mm × 0.4 mm • Wide Supply Range: 2.0 V to 5.5 V • Low Current Consumption: 150 µA(Continuous-Conversion Mode) • Programmable Data Rate:8 SPS to 860 SPS • Single-Cycle Settling • Internal Low-Drift Voltage Reference • Internal Oscillator • I2C Interface: Four Pin-Selectable Addresses • Four Single-Ended or Two Differential Inputs(ADS1115) • Programmable Comparator (ADS1114 andADS1115) • Operating Temperature Range:–40°C to +125°C 2 Applications • Portable Instrumentation • Battery Voltage and Current Monitoring • Temperature Measurement Systems • Consumer Electronics • Factory Automation and Process Control 3 Description The ADS1113, ADS1114, and ADS1115 devices(ADS111x) are precision, low-power, 16-bit, I2Ccompatible,analog-to-digital converters (ADCs)offered in an ultra-small, leadless, X2QFN-10package, and a VSSOP-10 package. The ADS111xdevices incorporate a low-drift voltage reference and an oscillator. The ADS1114 and ADS1115 also incorporate a programmable gain amplifier (PGA) and a digital comparator. These features, along with a wide operating supply range, make the ADS111x well suited for power- and space-constrained, sensor measurement applications. The ADS111x perform conversions at data rates up to 860 samples per second (SPS). The PGA offers input ranges from ±256 mV to ±6.144 V, allowing precise large- and small-signal measurements. TheADS1115 features an input multiplexer (MUX) that allows two differential or four single-ended input measurements. Use the digital comparator in theADS1114 and ADS1115 for under- and over voltage detection. The ADS111x operate in either continuous conversion mode or single-shot mode. The devices are automatically powered down after one conversion in single-shot mode; therefore, power consumption issignificantly reduced during idle periods.
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APÊNDICES
APÊNDICE A - PESQUISA SOBRE AGRICULTURA URBANA
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