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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
PROJETO DE UM SISTEMA REMOTO PARA AQUISIÇÃO DE
DADOS METEOROLÓGICOS
Cláudio Roberto Tenfen
Paulo Roberto Oliveira Valim, M.Eng.
Orientador
São José, Junho / 2013.
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
PROJETO DE UM SISTEMA REMOTO PARA AQUISIÇÃO DE
DADOS METEOROLÓGICOS
Cláudio Roberto Tenfen
São José, Junho / 2013.
Orientador: Paulo Roberto Oliveira Valim, M.Eng.
Área de Concentração: Automação de Sistemas
Linha de Pesquisa: Redes de sensores/atuadores
Palavras-chave: Estação Automática, Sensores, Web Server.
Número de páginas: 99
RESUMO
A meteorologia é a ciência que estuda os fenômenos que ocorrem na atmosfera terrestre,
principalmente na camada mais próxima da superfície com aproximadamente 20 km de espessura,
onde acontece a maior parte das atividades humanas e onde os efeitos e as condições atmosféricas
podem ser sentidos pelas pessoas, afetando vários aspectos do cotidiano como vestuário, atividades ao
ar livre e meios de transporte. Muitas soluções vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de facilitar a
medição dos fenômenos atmosféricos de forma simples e rápida, porém muitas dessas estações
automáticas têm um custo elevado o que inviabiliza sua aquisição. Diante desse cenário da evolução
das estações automáticas e do custo elevado das estações disponíveis no mercado, este trabalho
apresenta uma estação meteorológica automática para ser utilizada na área agrícola, agropecuária,
entre outras, desenvolvido a partir de um sistema remoto que permite a aquisição de dados
meteorológicos (temperatura, umidade do ar, pressão atmosférica, velocidade e direção do vento e
precipitação). Como resultados finais do desenvolvimento obtiveram-se os dados capturados,
armazenados em um banco de dados e disponibilizados em uma página web em tempo real. Sendo
assim este projeto pode ser uma opção de sistema meteorológico de baixo custo para propriedades
rurais, cidades e povoados distantes das estações meteorológicas convencionais.
ABSTRACT
The meteorology is the science that studies the phenomenon that occurs in the earthy
atmosphere, mainly on the closest lay to the surface with about 20 km of thickness, where happens the
most part of the humans activities and where the effects and the atmosphere conditions may be felt by
the people, affecting many daily aspects, as clothing, outdoor activities and transportation means.
Many solutions have been developed aiming facilitate the atmospheric phenomenon measurement, in a
simple and fast way, but many of this automatic stations have a high cost, which unfeasible its
acquisition. Looking at this scenario of automatic stations and the high cost for the available stations in
the market, this work presents an automatic meteorological station to be used on the agricultural area
and others, developed from a remote system that allows the acquisition of meteorological dates
(temperature, air humidity, atmospheric pressure, wind speed and direction and precipitation). As final
results of the development it was obtained the captured dates, stored in a database and turned available
in a web page at real time. Thus this project may be an option for a meteorological system of low cost
for rural proprieties, cities and towns away from the conventional meteorological stations.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Valor estações meteorológicas no mercado. 4
Tabela 2. Conversão entre valores A/D e direção do vento. 33 Tabela 3. Valor da estação meteorológica do projeto. 61
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Composição da Atmosfera .................................................................................................. 10 Figura 2. Termômetros de bulbo ........................................................................................................ 12 Figura 3. Junção de um termopar ....................................................................................................... 13 Figura 4. Termistores ......................................................................................................................... 14 Figura 5. Barômetro simples de mercúrio .......................................................................................... 15
Figura 6. Barômetro Mecânico .......................................................................................................... 16 Figura 7. Perfil vertical médio da pressão do ar ................................................................................ 17 Figura 8. Higrômetro Mecânico ......................................................................................................... 20
Figura 9. Parte Interna de um Higrômetro Mecânico ........................................................................ 21 Figura 10. Psicrômetro ....................................................................................................................... 21 Figura 11. Anemômetro Omnidirecional ........................................................................................... 24 Figura 12. Anemômetro Direcional ................................................................................................... 24
Figura 13. Pluviômetro ...................................................................................................................... 26 Figura 14. Imagem do sensor de pressão ........................................................................................... 31 Figura 15. Sensor de temperatura e umidade relativa do ar ............................................................... 32 Figura 16. Sensor de velocidade e direção do vento e pluviômetro .................................................. 33
Figura 17. Funcionamento de um microprocessador ......................................................................... 35 Figura 18. Arquitetura de um microcontrolador ................................................................................ 36
Figura 19. Arduino UNO ................................................................................................................... 38 Figura 20. Arduino shield ethernet com módulo PoE Rev3 .............................................................. 39 Figura 21. Raspberry Pi ..................................................................................................................... 40
Figura 22. Sistema e seus Módulos .................................................................................................... 43
Figura 23. Sistema geral do sistema................................................................................................... 44 Figura 24. Visão geral do sistema ...................................................................................................... 48 Figura 25. Casos de uso do microcontrolador. ................................................................................... 51
Figura 26. Diagrama de sequência do funcionamento do projeto. ..................................................... 52 Figura 27. Fluxograma de funcionamento do projeto. ....................................................................... 53 Figura 28. Arquitetura do servidor Web. ........................................................................................... 57
Figura 29. Diagrama de casos de uso administrador. ........................................................................ 58 Figura 30. Diagrama de casos de uso usuário. ................................................................................... 58
Figura 31. Modelo entidade relacionamento servidor Web. .............................................................. 59 Figura 32. Diagrama entidade relacionamento servidor Web. ........................................................... 60 Figura 33. Dados temperatura estação CIRAM x dados estação do projeto. ..................................... 63
Figura 34. Dados umidade estação CIRAM x estação do projeto. .................................................... 63
Figura 35. Dados da pressão estação CIRAM x estação do projeto. ................................................. 64
Figura 36. Dados da velocidade do vento estação CIRAM x estação do projeto. ............................. 64 Figura 37. Dados do pluviômetro estação CIRAM x estação do projeto. ......................................... 65
Figura 38. Página principal do projeto. .............................................................................................. 66
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A/D Conversor Analógico Digital
CI Circuito integrado
CPU (Central Processing Unit) Unidade central de processamento
CIRAM Centro de Informações de Recursos Ambientais e de Hidrometeorologia de
Santa Catarina.
D/A Conversor Digital Analógico
EMA Estação Meteorológica de Altitude
EMS Estação Meteorológica de Superfície
EPAGRI Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina
GPS Sistema de Posicionamento Global (Global Positioning System)
GPRS Serviços gerais de pacote por rádio
GND Ground
inHg Polegada de mercúrio
I²C Circuito inter-integrado
ICSP In-Circuit Serial Programming
IP Protocolo de internet (Internet Protocol)
KM/H Quilômetros por hora
mm Milímetros
MPH Milhas por hora
mmHg Milímetros de Mercúrio
NTC (Negative Temperatura Coefficient) Coeficiente de Temperatura Negativa
OMM Organização Meteorológica Mundial
PC Computador Pessoal
PWM Modulação por largura de pulso (Pulse Width Modulation)
PHP Personal Home Page
PTC (Positive temperature coefficient) coeficiente positivo de temperatura
RAM (Random Access memory) memória de acesso aleatório
SPI Serial peripheral interface – periférico de interface serial
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
TCP Protocolo de Controle de Transmissão (Transmission Control Protocol)
UNIVALI Universidade do Vale do Itajaí
UML Unified Modeling Language – Linguagem Unificada de Modelagem
UDP User data protocol – protocolo de transmissão de dados
ZEE Zoneamento ecológico econômico
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................... 1
1.1 PROBLEMA DE PESQUISA............................................................................. 2
1.1.1 Solução Proposta ............................................................................................... 5
1.1.2 Delimitação de Escopo ...................................................................................... 5
1.1.3 Justificativa ........................................................................................................ 6
1.2 OBJETIVOS ........................................................................................................ 6
1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................... 6
1.2.2 Objetivos Específicos ........................................................................................ 6
1.3 METODOLOGIA ................................................................................................ 7
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................ 8
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................ 9
2.1 METEOROLOGIA ............................................................................................. 9
2.1.1 A atmosfera ...................................................................................................... 10
2.1.2 Temperaturas .................................................................................................. 11
2.1.3 Pressão Atmosférica ........................................................................................ 14
2.1.4 Umidade ........................................................................................................... 18
2.1.5 O vento ............................................................................................................. 22
2.1.6 A chuva ............................................................................................................. 25
2.1.7 Estação Meteorológica .................................................................................... 26
2.2 SENSORES ........................................................................................................ 29
2.2.1 Sensores Usados na Estação Meteorológica ................................................. 30
2.3 UNIDADE DE CONTROLE ............................................................................ 33
2.3.1 Microprocessador ............................................................................................ 34
2.3.2 Microcontrolador ............................................................................................ 35
2.4 ARDUINO .......................................................................................................... 36
2.4.1 Arduino Shield – Ethernet com Módulo PoE Rev3 ..................................... 38
2.5 RASPBERRY PI ................................................................................................ 39
3 TRABALHOS RELACIONADOS .................................................... 42
3.1 SISTEMA DE MONITORAÇÃO DE ESTAÇÃO METEOROLÓGICA .. 42
3.2 ESTAÇÃO METEOROLÓGICA PARA REGIÕES REMOTAS ............... 43
3.3 ANÁLISE COMPARATIVA............................................................................ 45
4 DESENVOLVIMENTO ...................................................................... 47
4.1 VISÃO GERAL DO SISTEMA ....................................................................... 47
4.1.1 Características do Projeto .............................................................................. 49
4.2 REQUISITOS .................................................................................................... 49
4.2.1 Requisitos Funcionais ..................................................................................... 50
4.2.2 Requisitos Não Funcionais ............................................................................. 50
4.3 SOFTWARE ...................................................................................................... 50
4.3.1 Software do Arduino ....................................................................................... 51
4.3.2 Software do Servidor Web ............................................................................. 56
4.4 CUSTOS ............................................................................................................. 61
4.5 TESTES .............................................................................................................. 62
4.5.1 Página web ....................................................................................................... 65
5 CONCLUSÕES .................................................................................... 67
5.1 TRABALHOS FUTUROS ................................................................................ 68
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................... 70
1
1 INTRODUÇÃO
Desde os tempos mais remotos o homem tem se preocupado em observar os diferentes
elementos do clima, como a precipitação, temperatura e umidade, velocidade e direção do vento,
pressão, entre outros, pois compreendia que essas mudanças meteorológicas interferiam diretamente
em sua vida cotidiana.
Para a atividade agrícola, o conhecimento do comportamento do clima de uma região é
fundamental, contribuindo inclusive, para uma melhor produção. É também ferramenta
indispensável na pesquisa, tanto para definir como para interpretar os resultados dos experimentos,
bem como aplicar os resultados.
Na ciência da atmosfera, usualmente é feita uma distinção entre tempo e clima e entre
meteorologia e climatologia. Por tempo nós entendemos o estado médio da atmosfera numa dada
porção de tempo e em determinado lugar. Por outro lado, clima é a síntese do tempo num dado
lugar durante um período de aproximadamente 30-35 anos. O clima, portanto, refere-se às
características da atmosfera, inferidas de observações contínuas durante um longo período. O clima
abrange um maior número de dados do que as condições médias do tempo numa determinada área.
Desta forma, o clima apresenta uma generalização, enquanto o tempo lida com eventos específicos
(AYOADE, 1988).
A meteorologia é geralmente definida como a ciência da atmosfera e está relacionada ao
estado físico, dinâmico e químico da atmosfera e às interações entre eles e a superfície terrestre. A
climatologia é o estudo cientifico do clima. Há uma considerável semelhança no conteúdo da
climatologia e da meteorologia. O meteorologista e o climatólogo, contudo diferem
significativamente em sua metodologia. Enquanto o meteorologista emprega as leis da física
clássica e as técnicas matemáticas em seu estudo de processos atmosféricos, o climatólogo utiliza
principalmente técnicas estatísticas quanto retira informações a respeito do clima a partir de
informações disponíveis sobre o tempo. Pode-se dizer, portanto, que o meteorologista estuda o
tempo, e o climatologista estuda o clima. Entretanto, a climatologia está baseada na meteorologia
que, por sua vez, está baseada nos princípios da física e da matemática. Portanto há uma relação
estreita entre climatologia e meteorologia. A meteorologia engloba tanto tempo como clima,
2
enquanto os elementos da meteorologia devem necessariamente estar incorporados na climatologia
para torná-la significativa e científica. (AYOADE, 1988).
A meteorologia tem importância fundamental na vida humana. Vários aspectos do cotidiano
são afetados pelo tempo: vestuário, atividades ao ar livre bem como os meios de transportes
(marítimo, terrestre e aéreo), cujo fluxo normal depende da estabilidade do tempo, entre outras
(QUADRO, 2007). O tempo e o clima são também decisivos para o gerenciamento de recursos
hídricos, pesquisas agropecuárias e no manejo da irrigação (QUADRO, 2007).
O termo Meteorologia foi criado pelo filosofo grego Aristóteles que escreveu um livro de
filosofia natural intitulado “Meteorológica” por volta de 340 a.C. No livro, Aristóteles explica
fenômenos atmosféricos de maneira filosófica e especulativa. Muitas destas especulações eram
errôneas, mas foram aceitas por quase dois mil anos (BINDI, 2013).
O nascimento da meteorologia como uma ciência natural ocorreu quando foram inventados
os primeiros instrumentos meteorológicos: o termômetro no final do século XVI, o barômetro em
1643 e o hidrômetro por volta de 1700. Trata-se de uma prática muito antiga que obteve um grande
avanço tecnológico nas últimas décadas com o desenvolvimento de radares mais precisos,
computadores mais modernos e softwares mais eficientes (BISCARO, 2007).
O progresso dos meios de comunicação, das observações meteorológicas por satélite e do
uso massivo de supercomputadores mudou por completo a forma como as previsões de tempo são
realizadas operacionalmente (FERREIRA; ALMEIDA; FERREIRA, 2006). Apesar da grande
disponibilidade de informações por satélite, as informações meteorológicas medidas em estações
convencionais continuam sendo importantes na previsão do tempo, principalmente devido à
confiabilidade (FERREIRA; ALMEIDA; FERREIRA, 2006).
Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um sistema remoto de baixo custo para
aquisição de dados meteorológicos tais como temperatura e umidade, pressão, velocidade e direção
do vento e precipitação.
1.1 PROBLEMA DE PESQUISA
Há alguns anos a única forma de se obter informações sobre as condições do tempo era
através dos telejornais. Existia ainda um inconveniente, as previsões eram específicas para
3
determinadas localidades. As pessoas que moravam um pouco mais afastadas destas localidades não
tinham uma previsão correta. Nos dias atuais apesar de existirem previsões mais precisas para os
grandes centros, a área agrícola e agropecuária ainda carece de uma análise meteorológica local
mais específica e com maior credibilidade do que as análises globais sobre cidades ou regiões.
As estações meteorológicas disponíveis no mercado possuem as seguintes características,
(leitura da temperatura e umidade do ar, velocidade e direção do vento, precipitação, luminosidade,
radiação solar, pressão barométrica, umidade e temperatura de solos entre outros). Porém para
aplicações simples na área agrícola e agropecuária estas estações possuem um custo elevado, o que
inviabiliza sua aquisição. A Tabela 1 mostra exemplos de estações meteorológicas disponíveis no
mercado, com suas características e custo final:
4
Tabela 1. Valor estações meteorológicas no mercado.
Empresa
Estação
Meteorológica Temperatura Umidade Pressão
Velocidade
Vento
Direção
vento Precipitação Ultra Violeta
Radiação
Solar Data-logger Valor
AZULA
Estação
Agrometeorológica
DRIA-0111 x x x x x x x x x R$ 6.500,00
AZULA
Estação
Agrometeorológica
DRIA-0211 x x x x x x x x x R$ 7.500,00
AZULA
Estação
Agrometeorológica
DRIA-0311 x x x x x x x x x R$ 14.500,00
AZULA
Estação
Meteorológica
Diva-Go Incoterm
com Termo-
Higrômetro e
Sensor Wireless
TFA x x R$ 297,50
AZULA
Estação
Meteorológica
Oregon Scientific
WMR928NX x x x x x x R$ 1.990,00
Observando os dados da Tabela 1, percebe-se que as estações com mais características, são as de maior custo. As com poucas
características são de custo baixo, porém não contemplam as necessidades do objeto do projeto.
5
1.1.1 Solução Proposta
Para reduzir os problemas anteriormente citados, foi proposta a utilização de um sistema
remoto para aquisição de dados meteorológicos.
O desenvolvimento de uma estação meteorológica de pequeno porte e baixo custo possui
aplicações na coleta de dados ambientais em fazendas, sítios, indústrias, pequenas propriedades,
estufas, entre outros. Estes dados podem contribuir para melhorar o desempenho das mesmas.
O projeto desenvolvido tem o propósito de capturar um conjunto de dados meteorológicos,
tais como temperatura, umidade relativa do ar, pressão atmosférica, velocidade e direção do vento e
precipitação de acordo com especificações adequadas a este tipo de aplicação.
Uma vantagem em utilizar estações automáticas para a aquisição de dados meteorológicos é
a facilidade no acesso ao dados, pois os dados estão disponíveis na internet através de uma página.
A utilização da internet para disponibilizar os dados traz grandes benefícios, pois não existe a
necessidade de ter um operador meteorológico controlando a estação meteorológica, tudo é feito
através de software.
1.1.2 Delimitação de Escopo
O escopo deste trabalho limita-se em apresentar uma solução de estação meteorológica,
fazendo uso da internet, armazenar os dados de temperatura, umidade, pressão, velocidade e direção
do vento e precipitação em intervalos de tempo. Os dados capturados são armazenados em um
banco de dados e disponibilizados em uma pagina Web em tempo real.
Apesar de existirem no mercado células fotoelétricas (célula de energia solar), que são
dispositivos capazes de transformar energia luminosa proveniente do sol ou de outra fonte de luz,
em energia elétrica (ROCHA; SALAMI; HILLEBRAND, 2006), e utilização de bateria, este
trabalho não abordou este aspecto para o desenvolvimento da estação meteorológica. Neste projeto,
portanto optou-se por utilizar a energia elétrica como fonte de alimentação.
6
1.1.3 Justificativa
O avanço tecnológico em eletrônica tem favorecido os setores anteriormente citados,
incluindo a meteorologia, tornando possível o monitoramento automático de diversas variáveis
meteorológicas em tempo real (CUNHA; MARTINS, 2004). A automatização da aquisição de
dados meteorológicos tem sido amplamente utilizada pela facilidade, eficiência, qualidade e
padronização dos dados coletados, diminuindo assim os erros oriundos de leitura, interpretação e
digitalização desses dados (CUNHA; MARTINS, 2004).
Nas estações meteorológicas automáticas os sensores operam com princípios que permitem
a emissão de sinais elétricos, que são captados por um sistema de aquisição de dados, possibilitando
que o armazenamento e o processamento dos dados sejam informatizados (GALINA; VERONA,
2004, p. 110).
Sendo assim as estações meteorológicas automáticas e de baixo custo se tornam uma
ferramenta importante, as quais permitem as pessoas interessadas em saber como está o tempo na
localidade em que moram e trabalham, na medida em que podem programar atividades agrícolas,
tais como, colheita e plantio de forma mais precisa, evitando imprevistos e melhorando a
capacidade de produção e consequentemente agregando valor ao produto final.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Desenvolver um sistema remoto automatizado de pequeno porte e de baixo custo para
aquisição de dados meteorológicos.
1.2.2 Objetivos Específicos
1. Levantar as características e especificações de uma estação meteorológica;
2. Identificar as especificações referentes à automatização de estações meteorológicas;
3. Projetar a estação meteorológica disponibilizando acesso a sinais de medidores
meteorológicos (temperatura, umidade, pressão, velocidade e direção do vento,
precipitação);
7
4. Desenvolver a aplicação usando Arduino, e implementar um algoritmo capaz de capturar
os dados dos sensores.
5. Implementar um algoritmo capaz de armazenar os dados no Raspberry Pi utilizado como
banco de dados e gerar gráficos em tempo real;
6. Testar o sistema desenvolvido; e
7. Documentar o desenvolvimento e os resultados do sistema.
1.3 METODOLOGIA
Para executar este projeto de pesquisa e cumprir os procedimentos apresentados
anteriormente, foi necessário percorrer cinco etapas, sendo elas: (1) definição dos sensores para a
captura dos dados, (2) modelagem UML (Unified Modeling Language – Linguagem Unificada de
Modelagem) do sistema, (3) implementação do sistema, (4) testes do sistema e (5) documentação.
Etapa 1: Definição dos componentes para captura dos dados meteorológicos. Esta etapa
definiu os componentes deste projeto e forneceu o conhecimento necessário sobre as soluções e
tecnologias existentes.
Etapa 2: Modelagem UML (Unified Modeling Language) do sistema. Nesta etapa foi modelada
a integração do sistema.
Etapa 3: Implementação, desenvolvimento e integração do sistema.
Etapa 4: Validação dos resultados obtidos no desenvolvimento.
Etapa 5: Documentação. Esta etapa visou todo o processo pertinente à pesquisa científica, desde
a criação do problema, a proposta de uma nova solução (modelagem), o desenvolvimento dessa solução,
os testes e a validação da nova solução e os resultados finais. A documentação deve permitir aos outros
pesquisadores reproduzirem a nova solução e realizar os mesmos experimentos e testes feitos para a sua
validação.
8
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este documento está estruturado em cinco capítulos. O Capítulo 1 apresentou uma visão
geral do trabalho, apresentando o problema, a solução proposta, os objetivos a serem alcançados ao
longo do trabalho e a metodologia utilizada.
No Capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica sobre meteorologia e estações
meteorológicas, sensores utilizados nas estações meteorológicas, a plataforma Arduino, o Raspberry
Pi, servidor Web, software do microcontrolador e da página Web. No Capítulo 3 é apresentada uma
comparação entre trabalhos relacionados. No Capítulo 4 é apresentado o desenvolvimento,
contendo a implementação e testes desta fase do projeto. No Capítulo 5 são apresentadas as
conclusões deste projeto.
9
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Por se tratar de um trabalho que envolve aplicações na área de meteorologia, apresentamos a
seguir a história, classificação e conceitos relacionados a estações meteorológicas.
Especificadamente as estações meteorológicas automáticas têm seu desenvolvimento e suas
aplicações exploradas nesse capítulo. Além disso, abordaremos também neste capítulo a parte do
controle e construção da estação meteorológica.
2.1 METEOROLOGIA
Devido ao grande avanço tecnológico ocorrido nas últimas décadas, principalmente após a
aparição dos computadores, a agricultura, marinha e outros segmentos, procuram cada vez mais
soluções automatizadas para redução de tempo e custo para a captura de dados e geração de boletins
informativos sobre o tempo, bem como efetuar essas tarefas com segurança. Por isso as estações
automáticas vêm sendo a solução para estes tipos de problemas.
Segundo Tubelis e Nascimento (1980) a meteorologia “é um ramo da física que estuda
fenômenos atmosféricos”. Ou ainda, de acordo com Grimm (1999), a palavra meteorologia vem do
grego (meteoros, que significa elevado no ar, e logos, que significa estudo), e se refere à ciência que
estuda a atmosfera terrestre.
Segundo Grimm (1999) o tempo pode ser definido como “o estado da atmosfera em
determinado instante e lugar”. Afirma ainda que o clima “é o conjunto de toda a informação sobre o
tempo, em determinado local”.
As condições do tempo são definidas através da medição regular de alguns elementos
básicos:
Temperatura do ar;
Umidade do ar;
Pressão do ar;
10
Velocidade e direção do vento;
Tipo e quantidade de precipitação; e
Tipo e quantidade de nuvens.
2.1.1 A atmosfera
Segundo Grimm (1999), a atmosfera é uma camada relativamente fina de gases e material
pulverizado (aerossóis) que envolve a terra e protege os seres vivos da exposição em demasia à
radiação ultravioleta. Contém os gases essenciais para os processos vitais de respiração celular e
fotossíntese, além de fornecer a água necessária para a vida.
Conforme Ayoade (1988), a atmosfera é composta por uma mistura estável de gases. Dentre
eles estão: o nitrogênio, o oxigênio, o argônio, o dióxido de carbono entre outros. A Figura 1 mostra
como estes gases estão distribuídos na atmosfera.
Figura 1. Composição da Atmosfera
Fonte: Grimm (1999).
Os gases nitrogênio e oxigênio ocupam até 99% do volume de ar limpo e seco. O restante é
ocupado em sua maior parte pelo gás argônio.
11
Apesar do dióxido de carbono ocupar apenas 0,03% da atmosfera, é essencial para a
fotossíntese, além de fazer com que a baixa atmosfera retenha calor tornando a terra própria para a
vida (GRIMM, 1999).
O vapor d’água é um dos gases mais variáveis da atmosfera. Sem ele, não há nuvens e por
consequência também não haverá chuva e neve. Em conjunto com o dióxido de carbono, o vapor
d’água atua como uma manta que retém o calor na baixa atmosfera. Como a água é o único
elemento que pode existir nos 3 estados (sólido, liquido e gasoso) nas temperaturas e pressões
existentes na terra, suas mudanças de estado absorvem ou liberam calor latente. Desta forma o calor
absorvido em uma determinada região é transportado por ventos para outras regiões e liberados.
Quando o calor latente é liberado fornece energia que alimenta tempestades ou modificações na
circulação atmosférica (GRIMM, 1999).
Uma parte dos aerossóis (gotículas de água e cristais de gelo) é visível em forma de nuvens.
Eles são produzidos por incêndios florestais, erosão do solo pelo vento, cristais de sal marinho,
erupções vulcânicas, atividades agrícolas e industriais e a poeira de meteoros (GRIMM, 1999).
2.1.2 Temperaturas
Segundo Bitson (2006), a temperatura é a variável climática mais comum e mais importante.
Ela influencia diretamente a vida das pessoas, na forma de vestir e de se comportar. Conforme
Grimm (1999) a temperatura é definida em termos de movimento de moléculas, como sendo a
“medida da energia cinética média das moléculas ou átomos individuais”. Porém na maioria dos
casos, ela é definida em termos relativos, levando em conta o grau de calor que um corpo possui
(AYOADE, 1988). De maneira simplificada, a temperatura de um corpo é o grau de calor medido
por um termômetro (AYOADE, 1988, p.50).
2.1.2.1 Medição da temperatura
Diversas escalas podem ser utilizadas para expressar temperaturas. Entre elas estão a
Fahrenheit, a Celsius e a Kelvin. Na maior parte dos países, a escala Celsius é a mais empregada
(AYOADE, 1988, p.50). A escala Fahrenheit é bastante empregada nos países de língua inglesa, em
especial nos Estados Unidos da América e na Inglaterra. A escala Kelvin é mais utilizada para fins
científicos (GRIMM, 2009).
12
A exatidão das medidas de temperatura não depende apenas do instrumento escolhido para a
medição, mas também da sua correta exposição (GRIMM, 2009). A temperatura do ar deve ser
mensurada à sombra, em local ventilado e protegido de precipitação (TUBELIS; NASCIMENTO,
1980, p.73). Para atender a estes critérios, usualmente o instrumento é colocado em um abrigo
meteorológico pintado de branco e com venezianas de ventilação, posicionado a 1 metro acima do
solo, em área aberta com grama, longe de árvores e outros obstáculos (GRIMM, 2009).
Conforme Bitson (2006) os termômetros mais antigos, como o que é apresentado na Figura
2, utilizam a expansão térmica como base para a medição da temperatura. Como exemplo pode-se
citar os termômetros de bulbo, que são empregados para medir temperatura corporal, temperatura
interna e externa em residências e temperatura de líquidos. Este tipo de termômetro consiste em um
tubo de vidro graduado, com um reservatório de líquido, geralmente mercúrio ou álcool. Logo que a
temperatura aumenta/diminui, o líquido começa a se expandir/comprimir e é forçado a subir/descer
pelo tubo, marcando assim a temperatura.
Figura 2. Termômetros de bulbo
Fonte: Bitson (2006, p.7).
Os sensores de temperatura são dispositivos que provocam variações elétricas no material
sensor em função de variações na temperatura. Isto provoca variações na tensão, resistência ou
corrente de saída do dispositivo. Estas variações podem ser aferidas e mostradas, ou gravadas em
um computador (BITSON, 2006, p.6).
13
Pares termoelétricos (Figura 3) são alguns dos mais antigos sensores de temperatura. Eles
funcionam através do princípio que Thomas Seebeck1 descobriu por volta dos anos 1800. Se dois
metais diferentes são unidos, eles produzem uma pequena tensão. Esta tensão é proporcional a
temperatura: quanto mais quente a junção ficar, mais alta será a tensão produzida. Como a tensão de
saída é pequena, os pares termoelétricos têm baixa resolução, usualmente de 2 a 20 graus (BITSON,
2006, p.7).
Figura 3. Junção de um termopar
Fonte: Bitson (2006, p.9).
Tão antigos quanto os pares termoelétricos, os termistores (Figura 4) foram descobertos por
Michael Faraday2 por volta dos anos 1800. A palavra termistor vem da contração das palavras
“térmico” e “resistor”. Termistores são, portanto, dispositivos em que a resistência varia com a
temperatura e são empregados em estações meteorológicas, termômetros digitais e em qualquer
situação em que se deseja monitorar a temperatura. Existem dois tipos de termistores: os de
coeficiente negativo de temperatura (NTC - Negative Temperature Coefficient) e os de coeficiente
positivo de temperatura (PTC - Positive Temperature Coefficient). Nos termistores NTC a
1 Thomas Johann Seebeck (nascido em 9 de Abril de 1770 e falecido em 10 de Dezembro de 1831) foi o físico que, em
1821, descobriu o efeito termoelétrico ou Efeito Seebeck, onde em uma junção de metais distintos produz uma tensão
elétrica cujo valor depende exclusivamente dos materiais que compõem a junção e a temperatura em que esta junção
está imersa. Este efeito é a base de funcionamento do par termoelétrico ou termopar (INSTITUTE OF CHEMISTRY -
THE HEBREW UNIVERSITY OF JERUSALEM, 2009b). 2 Michael Faraday (nascido em 22 de Setembro de 1791 e falecido em 25 de Agosto de 1867 (DIAS, 2009)). Por volta
dos anos de 1833 a 1836 Faraday descobriu o primeiro exemplo da ação do termistor (PAIVA, 2009).
14
resistência diminui com o aumento da temperatura, já nos termistores PTC a resistência aumenta
com o aumento da temperatura (BITSON, 2006, p.8).
Figura 4. Termistores
Fonte: Bitson (2006, p.9).
A maioria das estações meteorológicas, incluindo esta que será desenvolvida neste projeto,
utiliza sensores de temperatura semicondutores. Muitos destes dispositivos já são calibrados no
momento da fabricação, o que torna o seu uso mais simples. Os CIs (Circuitos Integrados) sensores
de temperatura são os mais empregados pelos hobbistas na construção de suas estações
meteorológicas. Existem diversos tipos no mercado, alguns fornecem uma tensão de saída, outros
uma corrente de saída ou ainda uma saída digital.
2.1.3 Pressão Atmosférica
De acordo com Tubelis e Nascimento (1980) a pressão atmosférica é “o peso da atmosfera
posicionada verticalmente acima do local por unidade de área horizontal”. As unidades de pressão
representam o comprimento de uma coluna de mercúrio suficiente para equilibrar a pressão
atmosférica, sendo as mais utilizadas o milímetro de mercúrio (mmHg) e a polegada de mercúrio
(inHg). As unidades de pressão vêm do experimento de Torricelli, realizado em 1643. Virando uma
proveta cheia de mercúrio, com sua abertura para baixo, em uma cuba também com mercúrio, sem
permitir a entrada de ar, a coluna irá se estabilizar em uma determinada altura h, onde neste
momento, o sistema entrou em equilíbrio, pois a pressão hidrostática do mercúrio no ponto A
(Figura 5) é igual a pressão atmosférica local (TUBELIS; NASCIMENTO, 1980, 128). Torricelli
verificou que dia após dia, o nível do mercúrio na proveta mudava. Ele pensou então, que as
15
mudanças eram causadas por variações na atmosfera, inventando assim, o primeiro barômetro
(BITSON, 2006, P.27).
Figura 5. Barômetro simples de mercúrio
Fonte: Tubelis e Nascimento (1980, p.128).
Torricelli demonstrou que em nível do mar, a 0ºC e sob gravidade normal, a altura h vale
760 mm, de modo que o valor 760 mmHG (29,92 inHG) é adotado como uma atmosfera padrão
(TUBELIS; NASCIMENTO, 1980, 120).
2.1.3.1 Medição da Pressão Atmosférica
Barômetros mecânicos (Figura 6) medem a pressão atmosférica absoluta através da
comparação desta com o vácuo. Uma pequena peça de metal que é capaz de medir esta pressão é
projetada para expandir-se e contrair-se no vácuo. Esta peça é chamada de “fole”. Um dos lados do
fole é mantido fixo, o outro lado é ligado a um braço de alavanca, com o propósito de amplificar o
pequeno movimento do fole. O braço de alavanca é posteriormente conectado a um ponteiro em um
mostrador. Assim que a pressão atmosférica cai, o fole se expande, causando um deslocamento no
ponteiro (BITSON, 2006, p.27).
Os sensores de pressão barométricos trabalham de maneira similar aos barômetros
mecânicos. Ao invés do fole, um pequeno diafragma é montado em cima de uma câmara de vácuo.
16
O diafragma é fabricado com um material piezo resistivo, que muda sua resistência em função do
stress aplicado. Variações na pressão provocam variações no stress ao qual o diafragma está
submetido, causando uma mudança na resistência (BITSON, 2006, p.28).
Figura 6. Barômetro Mecânico
Fonte: Bitson (2006, P.28).
2.1.3.2 Pressão Absoluta versus Pressão Relativa
Imagine uma pessoa em Paranaguá (ao nível do mar) com seu barômetro portátil medindo a
pressão atmosférica local e esta pressão é normal e vale 29,92inHg (760mmHg). Esta mesma pessoa
começa a subir a serra, e a alguns quilômetros de Curitiba olha o mesmo barômetro e observa que
este está medindo 28,86inHg (733mmHg). A pessoa pensa: o que aconteceu? Será que o tempo
mudou? Como foi dito anteriormente, a pressão atmosférica é causada pela massa da coluna de ar
posicionada verticalmente. Portanto, quando aumenta a altitude, menos massa de ar estará acima da
pessoa, e a pressão diminui, até que fora da atmosfera, ela se anule completamente. Esta é a pressão
atmosférica absoluta, que varia conforme a altitude em que a pessoa se encontra. Para comparar as
pressões atmosféricas em diferentes localidades, os meteorologistas definem a pressão relativa, que
é uma medida onde há uma compensação de altitude. Esta pressão é calibrada, para condições
normais, em 22,92inHg. Portanto, não importa onde a estação esteja instalada, as medidas de
17
pressão serão as mesmas e poderão ser comparadas (BITSON, 2006, p.29). Este processo é
denominado redução ao nível do mar (GRIMM, 2009).
2.1.3.3 Variações na Pressão Atmosférica
Existem dois tipos de variação da pressão atmosférica, a seguir são apresentadas estas
variações.
2.1.3.3.1 Variação com a Altitude
De acordo com Tubelis e Nascimento (1980), a pressão atmosférica diminui com o aumento
da altitude, devido à diminuição na densidade do ar, da aceleração da gravidade e da temperatura do
ar. A pressão atmosférica diminui a uma taxa exponencial (Figura 7) e varia no decorrer do dia e do
ano.
Figura 7. Perfil vertical médio da pressão do ar
Fonte: Grimm (1999).
2.1.3.3.2 Variações Horizontais
De acordo com Grimm (1999), a pressão atmosférica varia de uma região para outra, e não
necessariamente devido à altitude. Quando reduzida ao nível do mar, a pressão atmosférica ainda
pode variar de um lugar para outro e flutua de hora em hora e de um dia para o outro.
18
Geralmente o tempo fica tempestuoso quando a pressão cai e bom quando a pressão
aumenta (GRIMM, 1999).
2.1.4 Umidade
Conforme Tubelis e Nascimento (1980) a umidade do ar é a água, na fase de vapor,
existente na atmosfera. Suas fontes naturais são os espelhos d’água, gelo e neve, a superfície do
solo, as superfícies vegetais e animais.
Segundo Ayoade (1988), apesar do vapor d’água representar somente 2% da massa total na
atmosfera e 4% do seu volume, ele é o componente atmosférico mais importante para a
determinação do tempo e do clima. A quantidade de vapor d’água pode variar de aproximadamente
zero, em regiões quentes e áridas, até um máximo de 3% nas latitudes médias e 4% nos trópicos
úmidos. Os meteorologistas estão interessados em saber a quantidade e a distribuição do vapor
d’água, pois o mesmo possui grande valor por diversos fatores, a saber:
O vapor d’água é a origem de todas as formas de condensação e precipitação, portanto, sua
quantidade em um determinado volume de ar é uma indicação de uma potencial capacidade
da atmosfera em produzir precipitação.
Desempenha o papel de regulador térmico no sistema Terra-atmosfera, pois tem a
capacidade de absorver radiação solar e terrestre. O calor latente3 presente no vapor d’água é
uma fonte de energia para circulação atmosférica e para o desenvolvimento de perturbações
atmosféricas.
A quantidade e distribuição do vapor d’água na atmosfera indiretamente afeta a estabilidade
do ar por conter calor latente.
3 O calor latente ou calor de transformação é a “quantidade de energia por unidade de massa que deve ser transferida
sob a forma de calor quando uma amostra sofre uma mudança de fase completa” (HALLIDAY; RESNICK; WALKER,
2006, p.192).
19
A quantidade de vapor d’água no ar influencia na taxa de evaporação4 e evapotranspiração
5,
sendo um importante fator determinante na temperatura sentida pela pele humana.
O vapor d’água, ao contrário dos demais gases atmosféricos, muda de fase constantemente
no sistema Terra-atmosfera.
2.1.4.1 Medição da Umidade
Grimm (2009) afirma que a umidade do ar pode ser descrita quantitativamente de várias
formas. Algumas delas são: a pressão de vapor, a umidade absoluta, a razão de mistura e a umidade
relativa.
A pressão de vapor nada mais é do que a parte da pressão atmosférica total6 causada pelo
vapor d’água e é diretamente proporcional à concentração de vapor no ar. A umidade absoluta é
definida como a massa de vapor d’água por unidade de volume, ou seja, a densidade do vapor
d’água. A razão de mistura é a massa de vapor d’água por unidade de massa de ar seco. Como nem
a umidade absoluta ou a razão de mistura podem ser medidas diretamente, elas podem ser
calculadas a partir de uma quantidade mais fácil de obter: a umidade relativa (GRIMM, 2009).
A umidade relativa é, por definição, a razão entre a mistura real (quantidade de vapor
d’água) e a razão de mistura de saturação7 (capacidade), ou seja, indica quão próximo o ar está da
saturação, ao invés de indicar a real quantidade de vapor d’água no ar.
Os instrumentos que medem a umidade do ar são chamados de higrômetros. O físico suíço
Horace Benedict de Saussure8 inventou o primeiro higrômetro no final dos anos 1700. Ele
4 “Perda de água das superfícies aquáticas ou de solo nu” (AYOADE, 1988, p.129).
5 “Perda de água das superfícies com vegetação, onde a transpiração é de fundamental importância. Em outras palavras,
evapotranspiração é um processo combinado de evaporação e transpiração” (AYOADE, 1988, p.129). 6 De acordo com a lei de Dalton, a pressão total de uma mistura de gases é igual à soma das pressões parciais exercidas
por cada gás da mistura. Quando o vapor d’água entra na atmosfera, as moléculas de água se misturam rapidamente
com outros gases, contribuindo para a pressão total exercida pela atmosfera (GRIMM, 2009). 7 A saturação é um estado de equilíbrio dinâmico, onde as moléculas de água passam com a mesma taxa para fase
líquida e para fase de vapor. Na evaporação, mais moléculas de água passam para o estado de vapor do que retornam ao
estado líquido e na condensação, mais moléculas de água retornam para o estado líquido do que passam para o estado
de vapor (GRIMM, 2009).
20
descobriu que certos materiais orgânicos se expandem quando expostos a umidade e se contraem
quando expostos a ausência de umidade. Horace prendeu um dos lados de um fio de cabelo em uma
parte fixa e o outro lado foi preso a um braço de alavanca, que é tracionado suavemente por uma
mola. Com o aumento da umidade, o cabelo estica e move o braço. Até os anos 1960, o material
sensor de umidade mais comum era os cabelos loiros das mulheres suíças (BITSON, 2006, p.13).
Atualmente, a maioria dos higrômetros mecânicos (Figura 8) utilizam uma mola levemente
enrolada que possui um revestimento absorvente de umidade em um de seus lados. Assim que o
material absorve umidade ele se expande e faz com que a mola gire (Figura 9) (BITSON, 2006,
p.13).
Figura 8. Higrômetro Mecânico
Fonte: Bitson (2006, p.14).
8Horace Benedict de Saussure (nascido em 17 de fevereiro de 1740 e falecido em 22 de janeiro de 1799), foi o físico
suíço que em 1783 construiu o primeiro higrômetro utilizando um cabelo humano para medir a umidade (INSTITUTE
OF CHEMISTRY - THE HEBREW UNIVERSITY OF JERUSALEM, 2009a).
21
Figura 9. Parte Interna de um Higrômetro Mecânico
Fonte: Bitson (2006, p.14).
O psicrômetro (Figura 10) é outro instrumento utilizado para medir a umidade do ar. Este
consiste de dois termômetros de bulbo montados lado a lado. Um deles possui um pedaço de
musselina, que deve estar molhado, amarrado em torno do bulbo e é chamado de termômetro de
bulbo úmido. O outro é chamado de termômetro de bulbo seco. O ar é forçado a passar através do
psicrômetro até que o mesmo alcance uma temperatura estacionária. A temperatura do bulbo úmido
diminui, devido ao calor que foi retirado pela evaporação da água. Esta diminuição é proporcional a
secura do ar, ou seja, quanto mais seco o ar, maior será a queda na temperatura do bulbo úmido.
Portanto, quanto maior a diferença entre as temperaturas do termômetro de bulbo úmido e a do
termômetro de bulbo seco, menor será a umidade relativa e vice versa (GRIMM, 2009).
Nos dias de hoje, existem diversos tipos de sensores de umidade. Os sensores de umidade
mais comuns são os capacitivos e muitos deles utilizam a mesma tecnologia: um material dielétrico
especial é prensado entre duas placas, formando um capacitor.
Figura 10. Psicrômetro
Fonte: Bitson (2006, p.14).
O material dielétrico absorve umidade e muda sua capacitância em função da umidade
absorvida. Os sensores capacitivos são baratos e razoavelmente fiéis. O maior problema é que a
22
capacitância não pode ser medida diretamente, é preciso convertê-la para uma frequência ou tensão.
Os sensores de umidade resistivos medem as alterações na resistência ou impedância de um
material higroscópico. Muitos dos sensores resistivos de umidade relativa utilizam um polímero
condutor ou uma superfície coberta por um sal com dois eletrodos. Com o aumento da umidade, a
superfície tratada absorve a umidade e a resistência diminui. A relação entre umidade relativa e
resistência não é linear e necessita de um circuito adicional para linearizar a saída. O maior
problema dos sensores resistivos é que eles necessitam de tensão alternada para entrar em operação
(BITSON, 2006, p.15).
2.1.5 O vento
Segundo Grimm (1999) o vento “consiste na circulação, no movimento da atmosfera”. Para
Tubelis e Nascimento (1980) o vento “é o movimento do ar em relação à superfície terrestre”. Para
simplificar o estudo, adotar-se-á que o vento é uma corrente contínua de parcelas de ar. As forças
que interferem nestas parcelas são:
Força do gradiente de pressão;
Força de Coriolis;
Força centrífuga;
Força de atrito; e
Força da gravidade.
Um gradiente de pressão existe quando a pressão atmosférica sofre variações de um lugar
para outro. Quando um gradiente de pressão se desenvolve, o ar tende a se movimentar das regiões
de maior pressão para as de pressão mais baixa, eliminando o gradiente de pressão. Como a
superfície terrestre sofre um aquecimento desigual, acabam surgindo os gradientes de pressão.
Portanto, pode-se dizer que a radiação solar contribui para a formação dos ventos. Porém, a força
geradora do vento é o gradiente horizontal de pressão. A partir do momento em que o ar entra em
movimento é que a força de Coriolis, o atrito e a força centrífuga começam a agir para modificar o
movimento, não para produzí-lo (GRIMM, 2009).
23
A variação da velocidade linear da superfície terrestre faz com que todos os corpos, que se
movimentam em relação a ela, tenham a direção de seu movimento continuamente modificada sem
alterações em sua velocidade. Esse efeito é sentido como se o movimento recebesse a ação de uma
força perpendicular a direção do movimento. Esta força é denominada força defletora da rotação da
Terra ou força de Coriolis9. Esta força atua sobre o vento, desviando sua trajetória para a esquerda
no hemisfério sul e para a direita no hemisfério norte, qualquer que seja a direção inicial do
movimento. A força de Coriolis é diretamente proporcional a velocidade do vento, ou seja, é tanto
mais intensa quanto maior for a velocidade do vento (TUBELIS; NASCIMENTO, 1980, p.147).
A força do gradiente de pressão faz com que o vento tenha a tendência de se deslocar em sua
direção. Com o início do movimento, a força de Coriolis começa a forçá-lo a se deslocar em um
movimento curvilíneo. Com a tendência do deslocamento curvilíneo do ar, a força centrífuga
começa a atuar no movimento. A direção resultante do vento passa a ser determinado pela resultante
destas três forças: força do gradiente de pressão, força de Coriolis e força centrífuga (TUBELIS;
NASCIMENTO, 1980, p.148).
Abaixo de 500m de altura acima da superfície terrestre aproximadamente, a massa de ar que
se desloca começa a sofrer influência da força de atrito com a superfície, crescendo com a
diminuição da altura. A força de atrito age sempre na mesma direção e sentido contrário a
velocidade do movimento, de modo a causar a diminuição da velocidade com a aproximação da
superfície terrestre. Com a diminuição da velocidade do vento, as forças de Coriolis e a força
centrífuga diminuirão também, enquanto a força do gradiente de pressão permanece constante. A
direção resultante do vento tenderá levemente para a direção da força do gradiente de pressão
(TUBELIS; NASCIMENTO, 1980, p.149).
9 A força de Coriolis, como o próprio nome indica, foi descoberta em 1835 pelo físico e matemático francês Gaspard
Gustave de Coriolis, que nasceu em Paris, em 1792, e que faleceu também em Paris, a 19 de setembro de 1843. Esta
força de Coriolis caracteriza-se por ser uma força de inércia que atua juntamente com a força de arrastamento e a força
centrífuga, sobre um corpo cujo sistema de referência se encontre em rotação. É perpendicular ao plano definido pelo
eixo de rotação e pelo vetor velocidade.
24
2.1.5.1 Medição do vento
Segundo Bitson (2006) para medir a velocidade do vento é necessário um dispositivo que
converta movimento do ar em alguma saída elétrica que possa ser medida. Este dispositivo é
chamado anemômetro.
Os anemômetros mecânicos consistem em algum tipo de lâmina que gira assim que o vento
passa sobre elas. Existem basicamente dois tipos de anemômetros: os omnidirecionais (Figura 11) e
os direcionais (Figura 12) (BITSON, 2006, p.19).
Figura 11. Anemômetro Omnidirecional
Fonte: Bitson (2006, p.20).
Figura 12. Anemômetro Direcional
Fonte: Bitson (2006, p.20).
25
Os anemômetros omnidirecionais são projetados para que qualquer que seja a direção do
vento, a força do mesmo cause um movimento de rotação nas lâminas. Usualmente, estes têm três
lâminas em forma de copo. Quando o vento sopra por sobre a parte interior de um dos copos,
produz mais força que o vento que sopra por sobre a parte exterior dos outros dois copos, o que
acaba causando movimento. Os anemômetros direcionais geralmente possuem lâminas posicionadas
verticalmente. O desafio é manter as lâminas “cortando” o vento. Se as lâminas estão posicionadas
na direção em que o vento sopra, não há força para mudar a direção das mesmas (BITSON, 2006,
p.19).
2.1.6 A chuva
A precipitação em todas as suas formas de ocorrência (chuva, granizo e neve) é o fenômeno
responsável por repor a água na terra. As precipitações podem ser classificadas como frontais
orográficas e convectivas (BISCARO, 2007):
Precipitações frontais: ocorrem devido à entrada em uma determinada região, de
massas de ar de origem polar.
Precipitações orográficas: ocorrem em locais onde o relevo apresente grandes
variações de altitude.
Precipitações convectivas: ocorrem em geral nas épocas mais quentes do ano.
2.1.6.1 Formação das chuvas
Segundo Biscaro (2007) uma nuvem é composta de vapor d’água que se condensou e que se
mantém suspensa na atmosfera, devido a pequena dimensão de suas partículas. Essas gotículas
estão sujeitas a força de correntes ascendentes de ar que as mantém nessa posição. Entretanto ficam
também sujeitas a ação da gravidade.
Biscaro (2007) afirma ainda que se essas gotículas começarem a aumentar de tamanho a
força da gravidade será maior que as correntes ascendentes fazendo com que as gotículas vão de
encontro a terra, originando as chuvas.
26
2.1.6.2 Medição da precipitação
A medição da quantidade de água precipitada é feita por pluviômetros. A leitura realizada
por este aparelho corresponde à espessura da camada de água, em (mm) que incidiu sobre a
superfície do solo (BISCARO, 2007). A Figura 13 mostra um exemplo de pluviômetro.
Figura 13. Pluviômetro
Fonte: Sparkfun (2013).
2.1.7 Estação Meteorológica
De uma forma simples, uma estação meteorológica é um pacote de instrumentos controlados
por software que coleta dados, executa algum processo de dados e transmite estes dados para
processamentos posteriores em intervalos de tempo que o usuário programar (GALINA; VERONA,
2004, p. 110).
As observações de superfície são procedimentos sistemáticos e padronizados pela OMM
(Organização Meteorológica Mundial), no que diz respeito ao tipo de equipamento, às técnicas de
calibração, à aferição, aos ajustes, ao manuseio, a procedimentos observacionais, aos horários de
observação, ao tratamento dos dados, às correções, às estimativas, à transmissão e ao uso
operacional. Tais medidas visam à obtenção de informações qualitativas e quantitativas referentes
aos parâmetros meteorológicos capazes de serem comparadas e de caracterizarem plenamente o
estado instantâneo da atmosfera (GALINA; VERONA, 2004, p. 110). A seguir são listados os tipos
de estações meteorológicas.
27
2.1.7.1 Estações Meteorológicas de Altitude (EMA)
Estas Estações tem a função de coletar, processar e difundir informações atmosféricas até
altitudes de 30 km, para fins de previsão meteorológica, apoio à navegação, monitoração ambiental
e estudos climatológicos (SIVAM, 2006).
As EMAS empregarão balões de sondagem capazes de fornecer as seguintes informações:
pressão atmosférica; temperatura; umidade relativa; densidade de ozônio; direção do vento; e
velocidade do vento, para as diversas altitudes (SIVAM, 2006).
As EMAS utilizam o Sistema de Posicionamento Global (GPS – Global Positioning System)
para georreferenciar as informações coletadas. As Estações são compostas de um conjunto
automático de altitude (unidade de medição instalada em cada balão; unidade de processamento e
unidade de visualização; e de um sistema de geração e armazenamento de hidrogênio, para inflar os
balões de sondagem) (SIVAM, 2006).
São funções das Estações Meteorológicas de Altitude as seguintes atividades, segundo
Sivam (2006):
Monitoração ambiental geral;
Monitoração para avaliação do uso e ocupação do solo;
Monitoração e apoio ao cumprimento das diretrizes previstas nos programas de
zoneamento ecológico – econômico (ZEE);
Monitoração de fenômenos meteorológicos;
Monitoração de recursos hídricos;
Monitoração da vegetação e da produção agrícola;
Vigilância e controle dos movimentos aéreos e de superfície;
Apoio à navegação aérea e fluvial;
Apoio à vigilância de fronteiras;
28
Comunicações eficientes entre os vários usuários em diferentes pontos e condições;
Apoio ao exercício da repressão aos ilícitos, contra a exploração irregular dos
recursos naturais, contrabando, narcotráfico e outros;
Apoio ao exercício do controle e prevenção de violações às comunidades indígenas;
Apoio aos programas especiais do governo nas áreas de saúde e controle sanitário; e
Apoio aos programas de integração regional e de desenvolvimento sustentável.
2.1.7.2 Estações Meteorológicas de Superfície (EMS)
Existem dois tipos de estações meteorológicas de superfície: as Estações Meteorológicas
Convencionais e as Estações Meteorológicas Automáticas.
As Estações Meteorológicas Convencionais exigem a presença diária do observador
meteorológico para coleta de dados, elas se dividem em classes de acordo com o número de
elementos observados. As de primeira classe são aquelas que medem todos os elementos do clima,
já as de segunda classe são as que não realizam as medidas de pressão atmosférica, radiação solar e
vento, as de terceira classe medem a temperatura máxima, a mínima e a chuva, também conhecidas
como termo pluviométricas (GALINA; VERONA, 2004, p. 110).
Outro tipo de estação meteorológica é a Estação Meteorológica Automática com a coleta de
dados totalmente automatizada. Nesse tipo de estação os sensores operam com princípios que
permitem a emissão de sinais elétricos, que são captados por um sistema de aquisição de dados
(Datalogger), possibilitando que o armazenamento e o processamento dos dados sejam
informatizados. Apresenta como principal vantagem o registro contínuo de todos os elementos, com
saídas dos dados em intervalos que o usuário programar (GALINA; VERONA, 2004, p. 110).
2.1.7.3 Estações Sinóticas
Estações Sinóticas são aquelas em que se realizam observações para fins de previsão do
tempo (com horários padronizados internacionalmente – Tempo Médio de Greenwich). Podem se
localizar sobre o continente (superfície ou ar superior, estas últimas denominadas de Estações de
Sondagem-instrumentos: balão-piloto, radiossonda, rádio vento e radioventossonda) ou sobre o
29
oceano (em navios). Quando as informações são reunidas tem-se a carta sinótica (GALINA;
VERONA, 2004, p. 111).
2.1.7.4 Estações Climatológicas
As Estações Climatológicas podem ser classificadas em Principais ou Ordinárias. As
instalações são rigorosamente padronizadas (espessura do arame, malha da tela e orientação do
cercado, cor da pintura, dimensões, piso etc.). Vianello e Alves (1991, p.278) classificam as
Estações Climatológicas em:
Estações Climatológicas Principais são as que medem todos os elementos meteorológicos
necessários aos estudos climatológicos, são constituídas de uma área instrumental e de um
escritório e,
Estações Climatológicas Ordinárias aquelas que não nos fornecem todas estas informações e
são constituídas apenas de uma área instrumental com um abrigo termométrico e um
pluviômetro. (GALINA; VERONA, 2004, p. 111).
2.1.7.5 Estações Agrometeorológicas
Fornecem informações relacionadas aos elementos meteorológicos e às atividades
agrícolas. Para isso, ao lado das observações atmosféricas, são também realizadas observações
fenológicas (GALINA; VERONA, 2004, p. 111).
2.1.7.6 Estações Meteorológicas Aeronáuticas
Destinam-se à coleta de informações necessárias à segurança de aeronaves, na maioria das
vezes estão instaladas nos grandes aeroportos e fazem inúmeras observações diárias (GALINA;
VERONA, 2004, p. 111).
2.2 SENSORES
Sensores servem para informar um circuito eletrônico a respeito de um evento que ocorra
externamente, sobre o qual ele deva atuar, ou a partir do qual ele deva comandar uma determinada
ação. São dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente que pode ser luminosa,
30
térmica, cinética, relacionando informações sobre uma grandeza física que precisa ser mensurada
(medida), como: temperatura, umidade, pressão, luminosidade.
A palavra automação ou automático nos traz a noção de que a máquina deve sentir o
ambiente que o rodeia para que possa executar a sua tarefa de modo automático. Em outras
palavras, a máquina, equipamento ou processo deve utilizar sensores para fornecer informações
para o seu sistema de controle interno, de modo a executar sua tarefa sem o auxílio de um ser
humano (ROMANO, 2002, p.71).
Por esse motivo os sensores são fundamentais para aplicações na área da meteorologia, por
eles interagirem com o ambiente onde estão localizados, repassam para a central de controle da
estação meteorológica dados referentes a temperatura do tempo, umidade relativa do ar, pressão
atmosférica, luminosidade entre outros dados possíveis e necessários dependendo da necessidade.
2.2.1 Sensores Usados na Estação Meteorológica
Os sensores estão divididos em módulos, permitindo assim maior organização do sistema e
diminuindo a possibilidade de falhas e interferências que poderiam ocorrer em um circuito onde
todos os componentes estão integrados em uma única placa. Este tipo de divisão também facilita o
isolamento do sistema que não fica em contato direto com as intempéries, evitando com que o
núcleo principal da estação se oxide ou deteriore. A tensão de alimentação dos módulos é 5V. o
protocolo de comunicação serial utilizado é o I²C. A seguir estão apresentados os sensores
responsáveis por captar as condições atmosféricas e traduzi-las para sinais elétricos dimensionáveis
que podem ser compreendidos pelo microcontrolador.
2.2.1.1 Sensor Barométrico de Pressão BMP085
O sensor de pressão utilizado no projeto é um BMP085 produzido pela Bosch. Este sensor
de alta precisão e baixa corrente é construído baseado em um sensor piezo-resistivo10
que permite a
10
A mudança de resistência causada por mudanças na geometria tem significância secundária. O efeito primário é a
mudança de condutividade, dependente de esforço mecânico no cristal. Esta dependência pode ser definida pela
constante de proporcionalidade. Tensões de compressão e dilatação no cristal semicondutor são usadas para produzir
mudanças na resistência nos piezoelétricos conectados com um circuito ponte.
31
medição de pressões barométricas de 300 hPa até 1100 hPa com uma precisão de 0.03 hPa. A
conexão é feita diretamente ao Microcontrolador através do barramento I²C e sua alimentação
suporta tensões de 1.8V até 3.6V. Como a pressão está diretamente relacionada a temperatura este
sensor também possui seu próprio termômetro, utilizado na compensação do cálculo da pressão.
A Figura 14 mostra uma foto do sensor. Seu diagrama esquemático está apresentado no
Anexo 3.
Figura 14. Imagem do sensor de pressão
Fonte: Sparkfun (2013).
2.2.1.2 Sensor de Temperatura e Umidade Relativa do Ar
Sensor DHT11 é um sensor de temperatura e umidade com um sinal digital em sua saída,
calibrado. Sua tecnologia garante excelente estabilidade e confiabilidade. Um microcontrolador de
alta performace de 8-bit garante isto no encapsulamento do módulo. Este sensor inclui um elemento
resistivo do tipo NTC que faz a medição da temperatura. Possui excelente qualidade, resposta
rápida, habilidade de anti-interferência e vantagens antes só encontradas em dispositivos de alto
custo. Sua alimentação é de 5V. A interface serial de um único fio faz com que a integração do
sistema seja rápida e fácil. A Figura 15 mostra o sensor de temperatura e umidade relativa do ar.
Seu diagrama esquemático esta apresentado no anexo 4.
32
Figura 15. Sensor de temperatura e umidade relativa do ar
Fonte: Sparkfun (2013).
2.2.1.3 Sensores de Velocidade e Direção do Vento e Pluviômetro
Esse kit representa os três principais componentes da medição do tempo: Velocidade e
direção do vento e chuva. Os sensores não contem eletrônica ativa, em vez disso usam sensores
magnéticos selados e imãs, de forma que é necessária somente uma fonte de tensão para realizar as
medidas. A vantagem disso é que os sensores são fáceis de interpretar.
O pluviômetro é uma caixa do tipo auto-esvaziante que ativa um botão de fechamento
momentâneo a cada 0.2794 mm de chuva que são coletados.
O anemômetro que mede a velocidade do vento fecha um interruptor a cada rotação. A
velocidade do vento de 1.492 Mph (2,4 km/h) produz o fechamento do interruptor uma vez por
segundo. A Figura 16 mostra o kit sensor de velocidade e direção do vento e pluviômetro.
33
Figura 16. Sensor de velocidade e direção do vento e pluviômetro
Fonte: Sparkfun (2013).
A direção do vento é medida com uma tensão que é produzida pela combinação das
resistências dentro do sensor. Quando a tensão é fornecida, a tensão devolvida pode ser traduzida
para qualquer das 8 posições possíveis conforme Tabela 2.
Tabela 2. Conversão entre valores A/D e direção do vento.
Valor Direção
26 E
45 SE
77 S
118 NE
161 SW
196 N
225 NW
256 W
2.3 UNIDADE DE CONTROLE
Como parte principal do projeto, o controle se comporta como cérebro do sistema, ou seja,
ele quem toma as decisões e realiza as tarefas. Ainda não é possivel construir uma unidade de
34
raciocínio que se compare a um cérebro humano, e por consequência, também não é possivel
desenvolver algo que promova um controle, por decisão própria. Então, para que haja um controle,
ele deve ser previamente planejado, contando com todas as situações possíveis, para depois ser
transferido a uma unidade de processamento, que apenas execute o algoritmo de controle
(OLIVEIRA, 2004, p. 48).
Ao longo dos anos várias unidades de controle foram produzidas por indústrias de
semicondutores. “um marco na indústria eletrônica foi a invenção do transistor” (OLIVEIRA, 2004,
p. 48)
Inventado por cientistas do Bell Telephone Laboratories no dia 16 de dezembro de
1947 -- cinquenta anos depois da descoberta do elétron por Joseph John Thomson e
cem anos depois do nascimento de Alexander Graham Bell -- o transistor valeu aos
seus inventores o prêmio Nobel de física de 1956. É citado na edição de janeiro de
1998 da revista Proceedings of the IEEE (edição comemorativa dos 50 anos do
transistor) como “a invenção da engenharia elétrica mais revolucionária do século
20, cujo impacto é sentido a todo o momento, em todo lugar na era da informação”
(O MICROCHIP, 2006).
Assim finalmente foi possível obter um dispositivo barato, confiável, e de tamanho
reduzido, capaz de realizar operações de chaveamento e implementar circuitos lógicos digitais cada
vez mais complexos e interessantes (O MICROCHIP, 2006).
“Com o transistor veio o desenvolvimento dos microchips. Consistem em um circuito
integrado (CI), com um conjunto de transistores, associados em cadeia, onde a saída de um controla
outros transistores e assim consecutivamente” (OLIVEIRA, 2004, p.48).
Nos dias atuais á microprocessadores, gráficos principalmente, com mais de 100 milhões de
transistores em um único microchip, ainda assim é difícil definir um número máximo a ser
alcançado. Com a tecnologia crescendo cada vez mais, são boas as perspectivas na área de controle,
aquela ideia de se igualar uma unidade de controle ao cérebro humano talvez não seja tão absurda
como se pensava há alguns anos atrás (O MICROCHIP, 2006).
2.3.1 Microprocessador
O microprocessador é o principal componente de um computador, pode ser chamado
também de Unidade Central de Processamento (CPU – Central Processing Unit), é o cérebro do
computador. Tudo o que acontece em um computador provém do microprocessador, que executa
35
todos os recursos disponíveis no sistema, extrai todas as instruções dos programas residentes na
memória do computador (memória RAM), uma de cada vez, as analisa e emite as ordens
necessárias para serem realizadas (IRIS.SEL, 2007).
Segundo IRIS.SEL(2007), podemos dizer que as tarefas de um microprocessador podem ser
divididas em duas categorias:
Função processamento: encarrega-se de realizar as atividades relacionadas com a efetiva
execução de uma operação, ou seja, processar.
Função controle: é exercida pelas componentes da CPU (Unidade Central de
Processamento), que se encarregam das atividades de busca, interpretação e controle da
execução das instruções, bem como do controle da ação dos demais componentes do sistema
de computação. A Figura 17 mostra o funcionamento de um microprocessador.
Figura 17. Funcionamento de um microprocessador
Fonte: Iris.Sel (2007).
2.3.2 Microcontrolador
Microcontrolador foi projetado para conter um microprocessador e todos os dispositivos
periféricos necessários, inclusos em uma pastilha de silício encapsulada. Possui em seu interior,
componentes que tornam o seu funcionamento similar a de um computador pessoal (PC)
(OLIVEIRA, 2004, p. 49).
Devido ao aumento da capacidade de integração de vários componentes em um único chip,
hoje em dia é possível encontrar uma infinidade de dispositivos que contém CPU, memória, pontos
de entrada/saída de dados e periféricos específicos para determinadas aplicações (conversores A/D e
D/A, portas de comunicação serial, geradores de PWM, temporizadores e contadores, dispositivos
36
de watchdog, etc.). A maior parte das vezes estes microcontroladores disponibilizam os
barramentos para o exterior, permitindo assim a sua expansão através da adição de circuitos
periféricos. (SOUZA, 2006, Traduzido).
A Figura 18 nos mostra a organização de um microcontrolador, nesse caso com arquitetura
Harvard11
, isso porque possui dois barramentos independentes, um para memória e outro para
dispositivos de entrada e saída.
Figura 18. Arquitetura de um microcontrolador
Fonte: Souza (2006).
2.4 ARDUINO
O Arduino faz parte do conceito de hardware e software livre e está aberto para uso e
contribuição de toda sociedade. O conceito Arduino surgiu na Itália em 2005, com o objetivo de
11
A arquitetura Harward baseia-se em um conceito mais recente que a de Von-Neumann, tendo vindo da necessidade de
por o microcontrolador para trabalhar mais rápido. É uma arquitetura de computador que se distingue das outras por
possuir duas memórias diferentes e independentes em termos de barramento e ligação ao processador. É utilizada nos
microcontroladores PIC, tem como principal característica acessar a memória de dados separadamente da memória de
programa.
37
criar um dispositivo para controlar projetos/protótipos construídos de uma forma menos dispendiosa
do que outros sistemas disponíveis no mercado (FONSECA, BEPPU, DE LA VEGA, 2010).
Arduino é uma plataforma de computação física (são sistemas digitais ligados a sensores e
atuadores, que permitem construir sistemas que percebam a realidade e respondem com ações
físicas), baseada em uma simples placa de Entrada/Saída micro controlada e desenvolvida sobre
uma biblioteca que simplifica a escrita da programação em wiring. O Arduino pode ser usado para
desenvolver artefatos interativo stand-alone ou conectados ao computador através de Adobe Flash,
Processing, Max/MSP, Pure Data ou SUPERCOLLIDER (FONSECA, BEPPU, DE LA VEGA,
2010).
Os microcontroladores são embarcados no interior de algum outro dispositivo, no nosso caso
o Arduino, para que possam controlar suas funções ou ações. É um kit de desenvolvimento capaz de
interpretar variáveis no ambiente e transformá-las em sinal elétrico correspondente, através de
sensores ligados aos seus terminais de entrada, e atuar no controle ou acionamento de algum outro
elemento eletroeletrônico conectado ao terminal de saída (FONSECA, BEPPU, DE LA VEGA,
2010).
O Arduino é baseado em um microcontrolador (Atmega), e dessa forma é logicamente
programável, ou seja, é possível a criação de programas, utilizando uma linguagem própria baseada
em wiring, que, quando implementado, fazem com que o hardware execute certas ações. Dessa
forma, estamos configurando a etapa de processamento (FONSECA, BEPPU, DE LA VEGA,
2010).
O grande diferencial desta ferramenta é que ela é desenvolvida e aperfeiçoada por uma
comunidade, que divulga os seus projetos e seus códigos de aplicação, pois a concepção dela é
open-source, ou seja, qualquer pessoa com conhecimento de programação pode modificá-lo e
ampliá-lo de acordo com a necessidade, visando sempre a melhoria dos produtos que possam ser
criados aplicando o Arduino (FONSECA, BEPPU, DE LA VEGA, 2010). A Figura 19 mostra o
Arduino UNO. Seu digrama esquemático esta apresentado no Anexo 5.
38
Figura 19. Arduino UNO
Fonte: Sparkfun (2013).
2.4.1 Arduino Shield – Ethernet com Módulo PoE Rev3
Shields são placas que podem ser facilmente plugadas sobre as placas Netduino ou Arduino
para estender a sua capacidade. Este Shield vem com o módulo PoE (Power over Ethernet), ou seja,
existe um circuito que faz com que os sinais vindos pela porta ethernet sejam suficientes para
alimentar o circuito como um todo (ROBOCORE, 2013).
O Arduino Ethernet Shield permite que uma placa Arduino conecte-se a internet. É baseado
no chip ethernet da Wiznet W5100, fornecendo um IP capaz de TCP e UDP. Este shield suporta até
quatro comunicações de socket simultâneas. Usa a biblioteca Ethernet para escrever sketches que se
conectarão a internet usando este shield (ROBOCORE, 2013).
O shield ethernet se conecta ao Arduino usando barra de pinos maiores do que os comuns.
Isto faz com que os pinos da placa não entrem em contato com outros pinos colocados na placa de
cima, evitando assim curtos (ROBOCORE, 2013).
A última versão deste shield possui um slot para cartão micro-SD, que pode ser usado para
guardar e armazenar arquivos de um servidor na rede. É compatível com Arduino 2009, UNO e
MEGA (utilizando a biblioteca Ethernet que já vem no ambiente de desenvolvimento do Arduino)
(ROBOCORE, 2013).
39
A última versão deste shield também inclui um controlador de reset, para garantir que o
módulo W5100 está devidamente resetado quando o shield é ligado (ROBOCORE, 2013).
O Arduino se comunica com o W5100 e o cartão micro-SD usando o bus SPI (através do
ICSP). Isto significa os pinos digitais 11, 12 e 13, no 2009 e UNO e pinos 50, 51 e 52 no MEGA.
Nas três placas, o pino 10 é usado para selecionar o W5100 e o pino 4 para o cartão micro-SD.
Portanto, estes pinos não podem ser usados como entradas/saídas gerais. No MEGA, o GND do
Hardware no pino 53 não é usado para escolher entre o W5100 ou o micro-SD, mas é necessário
manter como saída ou a interface SPI não vai funcionar (ROBOCORE, 2013). A Figura 20 mostra o
ethernet shield. Seu diagrama está apresentado no Anexo 6.
Figura 20. Arduino shield ethernet com módulo PoE Rev3
Fonte: ROBOCORE(2013).
2.5 RASPBERRY PI
O Raspberry PI é um micro computador do tamanho de um cartão de crédito. O projeto foi
desenvolvido pela Raspberry PI Foundation mantido pela Universidade de Cambridge – Inglaterra.
Foi projetado para rodar Linux e utiliza vários detalhes tecnológicos típicos de celulares, incluindo
seu processador ARM 11 de 700 MHz, a memoria RAM de 256 MB ou 512 MB, leitor de cartão
40
SD, 1 saída HDMI, 1 porta ethernet 10/100 Mbps, 2 portas USB 2.0, 1 saída de áudio, 1 saída de
vídeo RC (SCHMIDT, 2012).
A fundação sem fins lucrativos, responsável pela iniciativa, pretende colocar este aparelho
tão barato ao alcance das escolas, para promover o estudo da ciência da computação (e não do mero
uso e operação de computadores). Além do atrativo do seu tamanho reduzido o Raspberry PI é
comercializado por US $35,00 (sem fonte de alimentação, caixa de plástico, cartão de memória, etc.
o valor refere-se apenas a placa). A versão atual (B) conta com a seguinte especificação
(SCHMIDT, 2012). A Figura 21 mostra o Raspberry Pi.
Figura 21. Raspberry Pi
Fonte: Schmidt (2012).
41
Para este projeto, o Raspberry Pi será utilizado como Servidor Web, contendo o Apache
versão 2.2 como servidor Web e como banco de dados o MySQL, para o gerenciamento do banco
de dados foi instalado o PHPmyAdmin pois possui interface gráfica mais fácil de ser utilizada.
42
3 TRABALHOS RELACIONADOS
Existem vários trabalhos relacionados à automatização de estações meteorológicas,
utilizando vários tipos de tecnologias. Esta seção faz um breve resumo sobre duas soluções
adotadas para automatizar estações meteorológicas.
3.1 SISTEMA DE MONITORAÇÃO DE ESTAÇÃO METEOROLÓGICA
O objetivo principal é o desenvolvimento de um sistema de monitoração que seja possível
agilizar o processo de consulta e verificação pelo administrador do sistema, das informações sobre
as condições climáticas do local monitorado (MATTOS, 2005).
A funcionalidade principal é o controle remoto do sistema, sendo possível configurar e
receber os dados da monitoração (MATTOS, 2005).
O sistema consiste num módulo de aquisição que fornece as informações obtidas pelos
sensores acoplados ao mesmo, que por sua vez possui uma interface serial para fazer a comunicação
local e, uma interface ethernet para acesso remoto (MATTOS, 2005).
O projeto de hardware consiste num microcontrolador (RCM3000), que é programado para
fazer a leitura dos dados através dos sensores, armazenar parte desses dados e servir de fonte de
acesso para o controle serial e via internet (MATTOS, 2005).
As grandezas climáticas obtidas com este projeto são a temperatura, a umidade, a pressão
atmosférica e a precipitação. Para um melhor controle das medições climáticas realizadas pelo
sistema, o mesmo grava em tempo real o valor lido pelos sensores no banco de dados. Desta forma
o operador do sistema pode analisar as informações coletadas no momento que desejar (MATTOS,
2005). A Figura 22 apresenta o sistema e seus módulos.
O custo final do projeto totalizou R$ 9.964,45 levando-se em conta os componentes
utilizados e a quantidade de horas de trabalho.
43
Figura 22. Sistema e seus Módulos
Fonte: Mattos (2005).
3.2 ESTAÇÃO METEOROLÓGICA PARA REGIÕES REMOTAS
Este projeto visa facilitar a obtenção de dados meteorológicos em locais de difícil acesso ou
que não possuam energia elétrica. A estação meteorológica apresentada possui um sistema
completo para funcionar incessantemente em ambientes inóspitos com o mínimo de manutenção
necessária (PADILHA & SILVA, 2011).
A estação meteorológica para regiões remotas é um sistema embarcado clássico que possui
microcontrolador como unidade de processamento central, sensores responsáveis por traduzir as
condições climáticas em sinais elétricos, uma bateria carregada por energia solar para a alimentação
e um modem GPRS responsável pela transmissão dos dados (PADILHA & SILVA, 2011).
O microcontrolador é responsável pelo controle e automação da estação. Quando acionado
ele efetua a leitura dos sensores e envia os dados coletados para o módulo transmissor. O módulo
por sua vez efetua uma conexão via GPRS ao servidor Web e envia as informações coletadas. As
informações assim que recebidas são tratadas no servidor e imediatamente disponibilizadas em um
portal, permitindo que o usuário acesse as condições meteorológicas do local em tempo real a partir
de um computador pessoal, notebook, ou aparelho celular (PADILHA & SILVA, 2011).
44
Para garantir o funcionamento ininterrupto do sistema mesmo em ambientes onde não há
energia elétrica uma bateria externa com células solares alimenta os circuitos. O carregador
alimenta tanto o sistema com seus sensores quanto o modem GPRS. A Figura 23 apresenta a visão
geral do projeto (PADILHA & SILVA, 2011).
Figura 23. Sistema geral do sistema
Fonte: Padilha e Silva (2011).
O custo final do projeto totalizou R$1565,00 se incluir nos gastos a mão de obra e tempo de
trabalho. Após a conclusão do primeiro protótipo ficou claro que os custos podem ser reduzidos
significativamente com a importação em larga escala, especialmente nos valores de frete
(PADILHA & SILVA, 2011).
45
3.3 ANÁLISE COMPARATIVA
Os projetos relacionados: 3.1 Sistema de monitoração de estação meteorológica, 3.2 Estação
meteorológica para regiões remotas e o projeto deste trabalho de conclusão de curso, estão sendo
analisados no Quadro 1.
Análise comparativa
Característica
Trabalho 1 Trabalho 2 Este trabalho
Ler temperatura X X X
Ler umidade relativa
do ar
X X X
Ler velocidade do
vento
X X
Ler pressão X X X
Ler direção do vento X X
Ler precipitação X X X
Ler luminosidade X
Vantagens Aquisição de dados
remotamente
Aquisição de dados
remotamente, fonte de
energia ininterrupta,
funciona em lugares
sem energia elétrica.
Aquisição remota dos dados,
dados gravados diretamente em
banco de dados, dados
disponíveis em uma página
web em tempo real.
Desvantagens Fonte de alimentação,
não possui servidor Web
Dificuldade para
manutenção, é
obrigatório ter sinal
de telefone.
Fonte de alimentação, só
funciona conectada com a
internet.
Limitações Fonte de alimentação Manutenção. Fonte de alimentação.
Referência (MATTOS, 2005) (PADILHA &
SILVA, 2011)
Quadro 1. Análise comparativa do estado da arte.
Analisando as informações contidas no Quadro 1, pode-se observar que as três estações
conseguiram alcançar o objetivo pré-estabelecido, cada uma com suas particularidades.
Os três trabalhos foram desenvolvidos como Trabalho de Conclusão de Curso, e possuem
algumas características semelhantes. Pode-se observar que o Trabalho 2 é o mais completo pois lê
mais grandezas e não necessita da rede elétrica para funcionar. No entanto tem a limitação com a
manutenção, pois é instalada em lugares de difícil acesso. O Trabalho 1 além de monitorar menos
grandezas não disponibiliza os dados remotamente.
46
Algumas vantagens podem ser observadas do Trabalho 3 em relação ao Trabalho 2,
conforme segue:
O fato de o Trabalho 2 depender apenas do sinal de telefone enquanto o trabalho 3 pode ter
outros meios de obter o sinal de internet sem ser via telefone, por exemplo via radio
frequência e cabo.
Outra vantagem é o fato de o Trabalho 3 usar o Raspberry Pi como servidor Web não tendo
custos mensais com servidor.
Sendo assim verificamos que o Trabalho 3 mostra-se uma alternativa viável para estação
meteorológica quando comparado com projetos parecidos.
47
4 DESENVOLVIMENTO
Neste capítulo é apresentada a modelagem do sistema, a implementação e os testes do
sistema. Esta modelagem consiste dos diagramas de sequência e diagrama de caso de uso. Também
são apresentados os requisitos funcionais e não funcionais. A implementação descreve trechos de
código e o funcionamento de alguns algoritmos. Na seção de testes são descritos os procedimentos
para a validação do funcionamento deste sistema bem como a obtenção dos resultados esperados.
4.1 VISÃO GERAL DO SISTEMA
Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema remoto para aquisição de
dados meteorológicos capaz de capturar os dados dos sensores e disponibilizar esses dados em
tempo real em uma página na internet. O acesso aos sensores é feito através de código disponível no
microcontrolador do Arduino, sendo as leituras realizadas a cada intervalo fixo de tempo de acordo
com a necessidade. Na Figura 24 é possível ter uma visão geral do sistema que foi desenvolvido.
48
Roteador Web
Sensor de Pressão
Sensor de Umidade e Temperatura
Sensor de Velocidade e direção do vento e
Pluviômetro
Raspberry Pi / Banco de dados
Visualização Pagina Web
Internet Servidor Web
Figura 24. Visão geral do sistema
49
No sistema exemplificado (Figura 24), os sensores estão conectados ao microcontrolador do
Arduino. A escolha pela arquitetura Arduino se deu por motivos de simplicidade, aplicabilidade e
por suprir os requisitos necessários para este trabalho.
O Raspberry Pi que neste caso é o servidor Web foi escolhido para este projeto, por ser um
componente de custo acessível e de fácil utilização, pois é um micro computador dentro de uma
placa do tamanho de um cartão de crédito.
4.1.1 Características do Projeto
a. Arduino;
- Responsável pelo processamento central do sistema, captura dos dados dos sensores e
transmissão para o banco de dados.
b. Anemômetro de 3 pás, com medição da velocidade de 2.4 Km/h à 200 Km/h;
- Utilizado para aquisição de dados relacionados e velocidade do vento.
c. Cata-vento acoplado ao anemômetro;
- Utilizado para aquisição de dados relacionados a direção do vento.
d. Sensor de temperatura e umidade DHT11;
- Responsável pela captura dos dados de temperatura e umidade.
e. Sensor de pressão BMP085;
- Utilizado para a aquisição de dados relacionados à pressão atmosférica.
4.2 REQUISITOS
Requisito é a condição ou capacidade que precise ser atendida ou estar presente em um
sistema ou componente, para satisfazer um contrato, uma norma, uma especificação ou outro
documento imposto formalmente. Nesta seção serão apresentados os requisitos funcionais e não
funcionais do sistema.
50
4.2.1 Requisitos Funcionais
Requisitos funcionais de um sistema representam os comportamentos que ele deve
apresentar diante de certas ações de seus usuários. A seguir serão apresentados os requisitos
funcionais do sistema.
RF 01: O sistema deve capturar e receber os dados dos sensores;
RF 02: O sistema deve disponibilizar os dados em tempo real em uma pagina web;
4.2.2 Requisitos Não Funcionais
Requisitos não funcionais expressam restrições que o software deve atender ou qualidades
específicas que o software deve possuir. A seguir serão apresentados os requisitos não funcionais do
sistema.
RNF 01: Ser um sistema embarcado;
RNF 02: O sistema deve permitir, no mínimo o controle de 5 dispositivos;
RNF 03: O sistema deve permitir a adição de novos dispositivos;
4.3 SOFTWARE
Para o completo funcionamento do projeto foi necessário desenvolver dois projetos de
software, um embarcado na estação meteorológica e o outro responsável pelo servidor Web. A
estação envia as informações meteorológicas coletadas pelos sensores para o servidor Web, onde
estas são processadas e armazenadas no banco de dados, permitindo também a visualização das
informações recebidas. Essas informações podem ser visualizadas através de uma página Web que
foi especialmente desenvolvida para este projeto, utilizando a linguagem PHP e HTML. Para a
geração dos gráficos foi utilizada a API do Google (Google Charts).
51
4.3.1 Software do Arduino
Nesta seção serão apresentados detalhes, características e funcionalidades que compõe o
sistema, bem como os casos de uso. Os trechos de códigos eventualmente aqui apresentados são
escritos de acordo com a linguagem wiring utilizada pela plataforma Arduino.
4.3.1.1 Casos de Uso
Casos de uso representam uma função completa do sistema. Um caso de uso é possível ter
uma visão de funcionamento do sistema. O sistema pode efetuar a leitura dos sensores e enviar as
informações coletadas para o servidor Web. Na Figura 25 é apresentado o caso de uso do
Microcontrolador.
Estação Meteorológica
Ler sensor de Temperatura
Ler sensor de Umidade
Ler sensor de Pressão
Ler sensor de Velocidade do vento
Ler sensor de Direçãodo Vento
Processar as informações
Enviar as informações parao servidor Web
Figura 25. Casos de uso do microcontrolador.
52
O software do microcontrolador foi desenvolvido na linguagem wiring utilizando o
ambiente de desenvolvimento do Arduino.
Ao ser iniciado, o microcontrolador entra em laço de repetição e verifica conexão com o
servidor Web, se a conexão está ativa, envia pacote com as informações dos sensores, caso não haja
conexão, tenta nova conexão após o intervalo programado para a captura.
4.3.1.2 Diagrama de Sequência
A Figura 26 mostra o diagrama de sequência do funcionamento do Microcontrolador em sua
interação com o servidor Web. A estação faz a coleta dos dados dos sensores, então envia uma
mensagem formatada para o servidor Web e volta ao laço de repetição. O servidor Web processa e
salva os dados no banco de dados.
Servidor WebEstação meteorológica
(cliente)
1:laço de repetição infinito
2:Conectar ao servidor
3:Abre conexão e envia pacote de autenticação
4: Verifica autenticação5: se foi possivel efetuar autenticação envia pacote de configurações, caso contrario tenta se conectar
novamente
6:coleta informações dos sensores
7:Envia pacote com as informações dos sensores
8: Processa pacote de informações
9:Envia mensagem de sucesso ou erro
Figura 26. Diagrama de sequência do funcionamento do projeto.
53
4.3.1.3 Detalhamento do Desenvolvimento do Microcontrolador
A Figura 27 apresenta o fluxograma da sequência de funcionamento do software do
microcontrolador.
Ao ser iniciado, o microcontrolador entra em um laço de repetição e captura os dados dos
sensores, após a captura dos dados é feita a conexão com o banco de dados, se ocorrer erro de
conexão os dados são descartados, o sistema aguarda o tempo programado para a nova captura,
havendo conexão com o banco de dados, os dados são gravados e o sistema espera o tempo
programado para a nova captura.
Inicio
Tenta conectar ao servidor
Laço de repetição infinito
Coleta dados dos sensores, monta pacote de dados e envia
para o servidor
Grava as informações no banco
conectado
Aguarda intervalo para nova captura
Servidor off-line ou senha incorreta
Figura 27. Fluxograma de funcionamento do projeto.
54
4.3.1.4 Implementação do Software do Arduino
Nesta seção serão apresentados detalhes, características e funcionalidades que compõe o
microcontrolador. Os trechos de códigos eventualmente aqui apresentados são escritos de acordo
com a linguagem wiring utilizada pela plataforma Arduino.
Durante o desenvolvimento foram utilizadas as bibliotecas de desenvolvimento fornecidas
pelo Arduino para o desenvolvimento de aplicações utilizando os sensores DHT11, BMP085 e o kit
Weather Meters SEN-08942 fornecido pelo SPARKFUN. Como editor do código fonte, utilizou-se
o ambiente da plataforma Arduino para o desenvolvimento deste trabalho. A seguir serão
apresentadas partes do código fonte do microcontrolador do Arduino.
As bibliotecas utilizadas são fornecidas pelo fabricante e podem ser encontradas no site do
mesmo. Para o sensor DHT11 foi usada a biblioteca DHT11 e para o sensor BMP085 foi utilizada a
biblioteca Adafruit_bmp085.
No Quadro 2 estão apresentadas as funções de captura da temperatura e umidade relativa do
ar e da pressão atmosférica, as quais utilizam as bibliotecas DHT e Adafruit_bmp085
respectivamente.
void getTemperatura() {
temperatura = dht.readTemperature();
}
void getUmidade() {
umidade = dht.readHumidity();
}
void getPressao() {
pressao = bmp.readPressure();
pre = pressao / 100;
}
Quadro 2 Funções para captura da temperatura, umidade e pressão.
Para o cálculo do vento tem-se uma variável velocidade, que contem a velocidade do vento
transformada em metros por segundo para trabalhar em uma unidade compatível. Após é feito o
cálculo usando o número de rotações multiplicado pela velocidade e divido pela quantidade de
milissegundos contidos em 5 minutos. O resultado transforma-se em Km/h. No Quadro 3 está
apresentado o calculo da velocidade do vento.
55
//=======================================================
// Cálculo da velocidade do vento.
// 1 volta / segundo = 2.4 km/h
//=======================================================
void calculoVelocidadeVento() {
long velocidade = 24000;//2.4 km/h * 10
velocidade *= numVoltaAnemometro;
velocidade /= MSECS_CALC_WIND_SPEED;
velocidadeCalc = velocidade;
velocidade1 = velocidadeCalc / 10;
velocidade2 = velocidadeCalc % 10;
vel += String(velocidade1);
vel += '.';
vel += String(velocidade2);
numVoltaAnemometro = 0; // Reset contador
}
Quadro 3 Cálculo da velocidade do vento.
Para o cálculo da quantidade pluviométrica tem-se a variável chuva, esta contém o resultado
calculado a partir da quantidade de interrupções multiplicado por 0.2794 mm que é a quantidade de
chuva que passa pelo pluviômetro a cada interrupção segundo informações do fabricante. No
Quadro 4 está apresentado o cálculo da quantidade pluviométrica.
void calculoChuva() {
chuva = (numPulsos * 0.2794);
numPulsos = 0; // Reset countador
}
Quadro 4 Cálculo da quantidade de chuva em mm.
Para o cálculo da direção do vento é usada a variável val que contém o valor lido no pino
analógico, esse valor pode estar dentro da faixa de 0 a 1023. Após é feita uma verificação para saber
em qual posição do vetor adc se encontra o valor da variável val, descobrindo o valor é feita a
verificação para saber qual direção corresponde o valor da variável val. No quadro 5 está
apresentado o cálculo para a direção do vento.
// ADC leituras:
#define NUMDIRECAO 8
ulong adc[NUMDIRECAO] = {26, 45, 77, 118, 161, 196, 225, 256};
56
char *strVals[NUMDIRECAO] = {"E","SE","S","NE","SW","N","NW","W"};
byte dirOffset=0;
//=======================================================
// Cálculo da direção do vento.
//=======================================================
void calculoDirecaoVento() {
int val;
byte x, leitura;
float direcao;
val = analogRead(PIN_VANE);
val >>=2; // Shift to 255 range
leitura = val;
for (x=0; x<NUMDIRECAO; x++) {
if (adc[x] >= leitura)
break;
}
x = (x + dirOffset) % 8;
dire = (strVals[x]);
}
Quadro 5 Cálculo da direção do vento.
4.3.2 Software do Servidor Web
Nesta seção são apresentados detalhes, características e funcionalidades que compõe o
software do servidor Web. Os trechos de códigos eventualmente aqui apresentados são escritos de
acordo com a linguagem PHP e HTML utilizado pelo Servidor Web.
O servidor Web é responsável por manter um website no ar com todas as informações
recebidas dos sensores devidamente analisadas e apresentadas ao usuário final. O software do
servidor Web instalado é o Apache.
Sua arquitetura para o recebimento dos dados provenientes da estação é de modelo
cliente/servidor. A linguagem de programação utilizada é o PHP por ser uma linguagem livre que
permite fácil conexão a diversos sistemas gerenciadores de banco de dados, atendendo todas as
necessidades do projeto.
Para gerenciar o banco de dados a ferramenta utilizada é o MYSQL, um software livre que
permite a integração com a linguagem PHP. Servidores Web com PHP e MYSQL atualmente são
bastante utilizados pelo fato de terem baixo custo de implementação.
57
4.3.2.1 Arquitetura do Servidor Web
A arquitetura de software do servidor envolve a utilização de várias tecnologias. Para a
comunicação entre a estação e o servidor é utilizada conexão TCP/IP que se conecta ao banco de
dados. As informações salvas no banco de dados podem ser acessadas por usuários a partir do
servidor Web. A Figura 28 apresenta esta arquitetura.
Conexão TCP
Banco de Dados MYSQL
PHP – Regras de Negócio
Desktop / Notebook
Servidor
Servidor Web
Camada de Apresentação
Usuários Finais e Administrador
Estação Meteorológica
Remota
Figura 28. Arquitetura do servidor Web.
A conexão TCP/IP é responsável por receber e processar os dados provenientes da estação.
As informações processadas pelo TCP/IP são salvas no banco de dados MySQL.
A camada de apresentação e a camada de regras de negócio estão separadas, permitindo
maior flexibilidade na utilização de regras. A camada de apresentação consiste na utilização em
computadores pessoais e foi desenvolvida em PHP.
58
4.3.2.2 Diagramas
O administrador tem acesso ao servidor Web efetuando login em uma página específica,
onde, então, pode cadastrar novas estações meteorológicas e visualizar os dados provenientes das
estações já em funcionamento. Os usuários normais podem apenas visualizar os dados. Estes casos
de uso são exemplificados nas Figuras 29 e 30 respectivamente.
Administrador
Efetuar login
Configurar Estações
Visualizar informações
Cadastrar estações
Figura 29. Diagrama de casos de uso administrador.
Usuário
Visualizar informações
Figura 30. Diagrama de casos de uso usuário.
59
A Figura 31 apresenta o Modelo Entidade Relacionamento do servidor Web. A entidade
Estação contem todas as informações referentes à estação meteorológica. Cada informação recebida
é de um tipo e cada tipo possui uma unidade de medida. Se as informações são inconsistentes estas
são descartadas pela entidade Erro.
Estação
Recebe
Informação ÉTipo de
Informação
Tem
Unidade de Medida
(1,1)
(1,1)
(1,1)(1,n)
É Erro
(0,1)
(1,1)
(1,1)
(1,n)
Figura 31. Modelo entidade relacionamento servidor Web.
O Diagrama Entidade Relacionamento mostra a tabela do banco de dados necessária para o
funcionamento do software do servidor Web. A Figura 32 mostra esse relacionamento.
60
Figura 32. Diagrama entidade relacionamento servidor Web.
4.3.2.3 Implementação do Software do Servidor Web
Nesta seção serão apresentados detalhes, características e funcionalidades que compõe o
servidor Web. Os trechos de códigos eventualmente aqui apresentados são escritos de acordo com a
linguagem PHP e HTML utilizada pelo servidor Web.
No Quadro 6 está apresentada a conexão com o banco de dados e a verificação se o banco de
dados esta disponível, caso ocorra algum erro é exibido informação de falha na conexão com o
banco de dados.
<?php
$con = mysql_connect("localhost","root","*******");
if (!$con){
die('Connection fail: ' . mysql_error());
}
if (!($db = mysql_select_db("estacao", $con)))
{
echo('não foi possivel estabelecer uma conexão com o banco de dados');
exit;
}
?>
Quadro 6 Conexão com o banco de dados.
No Quadro 7 está apresentado o script que é executado toda vez que for gravar as
informações no banco de dados. Inicialmente é executa a conexão com o banco de dados, havendo
conexão as informações enviadas pelo Arduino são armazenadas em variáveis para posterior
validação dos dados, se os dados forem válidos é executado o comando INSERT na tabela
61
dados_sensores. Caso não haja conexão com o banco de dados às informações são
descartadas.
<?php
include('db.php');
//Get parameter sended by Arduino.
$DATA1 = @$_GET["temperatura"];
$DATA2 = @$_GET["umidade"];
$DATA3 = @$_GET["pressao"];
$DATA4 = @$_GET["velocidade"];
$DATA5 = @$_GET["direcao"];
$DATA6 = @$_GET["chuva"];
// Validate parameters if any and INSERT.
if (($DATA1 != "") && ($DATA2 != "") && ($DATA3 != "") && ($DATA4 != "") &&
($DATA5 != "") && ($DATA6 != "")) {
mysql_query("INSERT INTO dados_sensores (data_hora, temperatura, umidade,
pressao, velocidade, direcao, chuva) values (NOW(), '$DATA1', '$DATA2',
'$DATA3', '$DATA4', '$DATA5', '$DATA6')");
}
mysql_close($con);
?>
Quadro 7 Script para gravar as informações no banco de dados.
No Anexo A está disponível o código fonte da página inicial e no Anexo B os dados obtidos
nas ultimas 24 horas, para a semana, mês e ano o código fonte é o mesmo utilizado para visualizar
os dados das últimas 24 horas mudando apenas a forma de consulta ao banco de dados.
4.4 CUSTOS
O custo geral do projeto mostra que há viabilidade comercial para a estação meteorológica.
O custo individual de cada componente adquirido no mercado nacional ou no exterior pode ser
observado na Tabela 3.
Tabela 3. Valor da estação meteorológica do projeto.
62
Equipamento Valor R$ Valor $
Sensor DHT11 R$ 25,00 $5,20
Sensor BMP085 R$ 60,00 $19,95
Arduino UNO R$ 80,00 $29,95
Ethernet Shield R$ 300,00 $59,95
Raspberry Pi R$ 250,00 $39,95
Sensor velocidade e direção + pluviometro R$ 423,00 $69,95
Custo total R$ 1.138,00 $224,95
Verifica-se uma considerável diferença no custo, se os componentes fossem adquiridos no
mercado externo, mesmo não estando incluso as taxas com frete e impostos, e assim sendo
tornariam o projeto ainda mais viável.
4.5 TESTES
Segundo Pressman (2002), teste é um processo de um programa com a finalidade de
encontrar um erro sendo que, um bom caso de teste é aquele que tem alta probabilidade de
encontrar um erro ainda não descoberto. Nesta seção serão apresentados os testes realizados nos
componentes que constituem o sistema.
Para validar os dados dos sensores DHT11 (sensor de temperatura e umidade), BMP085
(sensor de pressão), ANEMOMETRO E BIRUTA (sensores de velocidade e direção do vento) e o
pluviômetro, foram feitas comparações dos dados fornecidos pela estação meteorológica do
CIRAM localizada em São José na grande Florianópolis através da página do Ciram (2013)
(ciram.sc.gov.br na aba monitoramento online), com os dados obtidos pela estação meteorológica
do projeto, conforme apresentado nas figuras 33, 34, 35, 36 e 37 respectivamente na data de
06/06/2013 até 19/06/2013.
63
Figura 33. Dados temperatura estação Ciram (2013) x dados estação do projeto.
Figura 34. Dados umidade estação Ciram (2013) x estação do projeto.
64
Figura 35. Dados da pressão estação Ciram (2013) x estação do projeto.
Figura 36. Dados da velocidade do vento estação Ciram (2013) x estação do projeto.
65
Figura 37. Dados do pluviômetro estação Ciram (2013) x estação do projeto.
Considerando os dados obtidos pelas estações meteorológicas do Ciram (2013) e do projeto
conforme Figuras 33, 34, 35 e 37, pode-se observar que os resultados obtidos pela estação
meteorológica do projeto foram muito próximos, considerando aceitáveis os resultados do projeto.
Para a figura 36 não foi possível fazer uma análise mais precisa, pois o sensor da estação do
projeto está instalado em local com obstáculos dificultando a captura da velocidade do vento, dessa
forma a comparação ficou prejudicada.
Nos anexos 7, 8 e 9 são apresentados os gráficos conforme o menu principal apresentado na
Figura 38. No Anexo 7 são apresentados os dados relativos as últimas 24 horas, no Anexo 8 são
apresentados os dados relativos a última semana e no Anexo 9 são apresentados os dados do último
mês.
4.5.1 Página web
A Figura 38 apresenta a página principal do projeto, onde são mostrados os dados obtidos na
última captura, bem como o menu principal onde o usuário pode escolher os dados que deseja
visualizar na forma de gráficos.
66
Figura 38. Página principal do projeto.
67
5 CONCLUSÕES
O desenvolvimento de uma estação meteorológica automática facilita o dia-a-dia de
produtores em fazendas e sítios, bem como de pequenas cidades ou bairros, pois pode ser instalada,
in loco, fornecendo dados precisos e confiáveis.
Desta forma, este projeto descreveu uma aplicação que envolveu a automação de sistemas
no qual fez uso de sensores para captura de informações meteorológicas e a internet para gravar os
dados capturados no banco de dados e posteriormente disponibilizar esses dados em uma página
Web.
Através deste trabalho foi possível comprovar a viabilidade e importância do mesmo, tendo
como resultado final o desenvolvimento de um projeto remoto para aquisição de dados
meteorológicos.
A implementação deste trabalho teve como base o Arduino, este é capaz de capturar as
informações dos sensores de temperatura, umidade, pressão, velocidade e direção do vento além de
um pluviômetro e conta com um ethernet shield acoplado para conexão com a internet. Este shield
ethernet se conecta com o Raspberry Pi utilizado neste projeto como servidor Web e as informações
são disponibilizadas em uma página Web em tempo real. Como fonte de alimentação, a estação
utiliza a energia elétrica.
Houve uma grande dificuldade para obter os sensores de velocidade e direção do vento e o
pluviômetro, já que os sensores estão disponíveis em sua maioria no exterior, sendo que os
existentes no Brasil custam mais que o dobro do valor.
Os dados coletados por esta estação foram comparados aos dados da estação automática do
Ciram (2013) de São José na grande Florianópolis, do dia seis (06) de junho, à dezenove (19) de
junho. A variação obtida em cada uma das grandezas (temperatura e umidade, pressão, direção do
vento e pluviosidade) foi mínima. Para o sensor de velocidade do vento não foi possível fazer uma
análise mais precisa, pois a estação do projeto não está instalada em uma área aberta longe de
obstáculos prejudicando assim sua análise.
68
Cabe destacar que este projeto se justifica como um Trabalho de Conclusão de Curso, uma
vez que tratou do desenvolvimento de uma solução computacional que faz uso de diversas
tecnologias, conceitos e teorias relevantes a essa área, tais como: programação de
microcontroladores, integração software hardware, engenharia de software, redes, entre outras.
As principais contribuições deste trabalho foram:
1. Demostrar a viabilidade de soluções de Automação de Sistemas de baixo custo;
2. Despertar o interesse acadêmico, para esta área de conhecimento que possui um
conjunto bastante amplo de aplicações;
3. Desmistificar a complexidade da concepção do hardware de controle; e
4. Demostrar a utilização de diversos tipos de tecnologias para o uso em Automação de
Sistemas.
Os objetivos foram alcançados. Porém, é importante ressaltar que por se tratar de um projeto
de um sistema ainda existem melhorias que devem ser feitas para que se tenha uma solução
completa e passível de utilização em um sistema real.
Este projeto se torna uma alternativa viável economicamente para regiões que necessitam de
uma estação meteorológica para o monitoramento de plantações, fazendas, sítios e pequenas
cidades, pois o custo para produção em larga escala tende a diminuir.
5.1 TRABALHOS FUTUROS
A expansão em trabalhos futuros inclui a instalação de outros tipos de sensores, como
medidores de gás, molhamento foliar, radiação entre outros.
Ao invés de usar o Shield Ethernet para a conexão com o Raspberry Pi poder-se-ia utilizar a
conexão serial entre o Arduino e o Raspberry Pi reduzindo os custos com o projeto. Essa solução
não foi adotada, pois a utilização do Raspberry Pi se deu já com boa parte do projeto original
concluído.
Ao invés de usar a rede elétrica poder-se-ia utilizar painéis solares e baterias para o
funcionamento ininterrupto da estação. Para a transmissão dos dados via internet outra solução
69
poderia ser a utilização de uma placa wireless ao invés do ethernet shield que usa rede cabeada.
Outra alternativa é a modelagem de uma placa de circuito impresso contendo somente os
componentes necessários para a conexão dos sensores.
70
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Bertrand Brasil S.A., 1988.
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Wiley Publishing, 2006.
BISCARO, Guilherme Augusto: Meteorologia Agricola Básica: Série Engenharia Volume I. 2007.
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Catarina. Disponível em:<
http://ciram.epagri.sc.gov.br/index.php?option=com_content&view=article&id=98&Itemid=198>
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m15.sid.inpe.br/col/sid.inpe.br/mtc-15@80/2006/11.23.11.45/doc/Ferreira.Utiliza%E7%E3o.pdf.>
Acessado em: 19 de Março de 2007.
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10/05/2007.
73
ANEXO 1 - Código Fonte Página Inicial
<!--
Autor: Cláudio Roberto Tenfen
Data: 23/05/2013
-->
<html>
<head>
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<title>Estação Meteorológica Automática</title>
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ul li.title
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ul li
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a
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74
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<style>
.Medida {
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}
.Unidade {
font-family: Arial,Helvetica,sans-serif;
font-size: 16px;
color: #333333;
}
.Descricao {
font-family: Arial,Helvetica,sans-serif;
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}
td.agorabarra {
border-right: 2px solid #EAEAEA;
}
</style>
</head>
<body>
<div id="fb-root"></div>
<div id="tituloPagina" style="width: 1000px; height: 20px; margin: auto;text-align:center;
margin-top:15px">
<b>Trabalho de Conclusão de Curso Estação Meteorológica Automática</b></br>
</div>
75
<div style="width: 800px; height: 10px; margin: 10px auto;text-align:center;">
<div class="fb-like" data-href="http://localhost/index.php" data-send="true" data-
layout="button_count" data-width="45" data-show-faces="true"></div>
</div>
<div id="hora" style="width: 800px; heigth: auto; margin: 10px auto">
<small>Última atualização: <b> <?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT data_hora FROM dados_sensores ORDER
BY id DESC LIMIT 1');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo $ln['data_hora'] ;
};
?>
</b>
</small>
</div>
<div>
<table style="margin:auto;">
<tbody>
<tr>
<td style="min-width: 130px;text-align: center" class="agorabarra"
title="">
<img border="0" src="PThermometer_Hot.png"/><br/>
<span class="Descricao">Temperatura</span><br/>
<span class="Medida">
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT temperatura FROM dados_sensores
ORDER BY id DESC LIMIT 1');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo $ln['temperatura'] ;
};
?></span>
<span class="Unidade">°C</span>
76
</td>
<td style="min-width: 130px;text-align: center" class="agorabarra"
title="">
<img border="0" src="PRaindrop.png"/><br/>
<span class="Descricao">Umidade</span><br/>
<span class="Medida">
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT umidade FROM dados_sensores ORDER
BY id DESC LIMIT 1');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo $ln['umidade'] ;
};
?></span>
<span class="Unidade<">%</span>
</td>
<td style="min-width: 130px;text-align: center" class="agorabarra"
title="">
<img border="0" src="PBarometer.png"/><br/>
<span class="Descricao">Pressão</span><br/>
<span class= "Medida">
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT pressao FROM dados_sensores ORDER
BY id DESC LIMIT 1');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo $ln['pressao'] ;
};
?></span>
<span class="Unidade">hPa</span>
</td>
<td style="min-width: 130px;text-align: center" class="agorabarra"
title="">
<img border="0" src="PWind.png"/><br/>
77
<span class="Descricao">Vento</span><br/>
<span class= "Medida">
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT velocidade FROM dados_sensores
ORDER BY id DESC LIMIT 1');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo $ln['velocidade'] ;
};
?></span>
<span class="Unidade">Km/h</span><span class="Medida">
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT direcao FROM dados_sensores ORDER
BY id DESC LIMIT 1');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo $ln['direcao'] ;
};
?>
</span>
</td>
<td style="min-width: 130px;text-align: center" class="agorabarra"
title="">
<img border="0" src="PUmbrella.png"/><br/>
<span class="Descricao">Chuva</span><br/>
<span class= "Medida">
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT chuva FROM dados_sensores ORDER BY
id DESC LIMIT 1');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo $ln['chuva'] ;
};
?></span>
78
<span class="Unidade">mm</span>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</div>
<?php
$xml = simplexml_load_file("menuXML.xml");
echo "<ul>";
foreach ($xml->menuPrincipal as $menuPrincipal)
{
echo "<li class='title'>" . $menuPrincipal["title"] . '</li>';
echo "<ul>";
foreach ($menuPrincipal as $menuSub)
{
echo "<li><a href='" . $menuSub["link"] . "' title='" . $menuSub["description"] . "'>" .
$menuSub . "</a></li>";
}
echo "</ul>";
}
echo "</ul>";
?>
<img width="320px" height="320px" src= "SAM_3047.png" vspace="10px" hspace="15px"
border="10px" align="center">
<img width="320px" height="320px" src= "SAM_3036.png" vspace="10px" hspace="15px"
border="10px" align="center">
<img width="320px" height="320px" src= "SAM_3033.png" vspace="10px" hspace="15px"
border="10px" align="center">
<body style="font-family: Arial;border: 0 none;">
<div style="text-align:right">
<small>2013 Cláudio Roberto Tenfen | [email protected]</small>
</div>
</body>
</body>
</html>
79
ANEXO 2 - Código Fonte Dados das Últimas 24 Horas
<html
<head>
<meta http-equiv="refresh" content="60;url = dados_dia.php">
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<link rel="shortcut icon" href="favicon.ico" type="image/x-icon">
<title>
Estação Meteorológica Automática
</title>
<style>
.Medida {
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color: #333333;
font-weight: bold;
font-size: 36px;
}
.Unidade {
font-family: Arial,Helvetica,sans-serif;
font-size: 16px;
color: #333333;
}
.Descricao {
font-family: Arial,Helvetica,sans-serif;
font-size: 12px;
}
td.agorabarra {
border-right: 2px solid #EAEAEA;
}
</style>
80
<script type="text/javascript" src="https://www.google.com/jsapi"></script>
<script type="text/javascript">
google.load("visualization", "1", {packages:["corechart"]});
</script>
<script type="text/javascript">
function drawTemperatura() {
var data = google.visualization.arrayToDataTable([
['hora', 'ºC'],
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT TIME_FORMAT(data_hora, "%H:%i") AS hora, temperatura FROM
dados_sensores WHERE data_hora > DATE_SUB(NOW(), INTERVAL 1 DAY)');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo '["' . $ln['hora'] . '", ' . $ln['temperatura'] . '], ';
};
?>
]);
var options = {
hAxis:{
direction: 1},
colors:['red'],
legend: {position: 'none'},
width: 1000, height: 300,
title: 'Temperatura - °C',
vAxis: {minValue: 0},
isStacked: true
};
var chart = new
81
google.visualization.LineChart(document.getElementById('temperatura'));
chart.draw(data, options);
}
function drawUmidade() {
var data = google.visualization.arrayToDataTable([
['hora', '%'],
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT TIME_FORMAT(data_hora, "%H:%i") AS hora, umidade FROM
dados_sensores WHERE data_hora >= DATE_SUB(NOW(), INTERVAL 1 DAY)');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo '["' . $ln['hora'] . '", ' . $ln['umidade'] . '], ';
};
?>
]);
var options = {
hAxis:{
direction: 1},
colors:['red'],
legend: {position: 'none'},
width: 1000, height: 300,
title: 'Umidade - %',
vAxis: {maxValue: 0},
isStacked: true
};
var chart = new google.visualization.LineChart(document.getElementById('umidade'));
chart.draw(data, options);
}
function drawPressao() {
var data = google.visualization.arrayToDataTable([
['hora', 'hPa'],
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT TIME_FORMAT(data_hora, "%H:%i") AS hora, pressao FROM
dados_sensores WHERE data_hora >= DATE_SUB(NOW(), INTERVAL 1 DAY)');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
82
echo '["' . $ln['hora'] . '", ' . $ln['pressao'] . '], ';
};
?>
]);
var options = {
hAxis:{
direction: 1},
colors:['red'],
legend: {position: 'none'},
width: 1000, height: 300,
title: 'Pressao - hPa',
isStacked: true
};
var chart = new google.visualization.LineChart(document.getElementById('pressao'));
chart.draw(data, options);
}
function drawVelocidade() {
var data = google.visualization.arrayToDataTable([
['hora', 'Km/h'],
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT TIME_FORMAT(data_hora, "%H:%i") AS hora, velocidade FROM
dados_sensores WHERE data_hora >= DATE_SUB(NOW(), INTERVAL 1 DAY)');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo '["' . $ln['hora'] . '", ' . $ln['velocidade'] . '], ';
};
?>
]);
var options = {
hAxis:{
direction: 1},
colors:['red'],
legend: {position: 'none'},
width: 1000, height: 300,
title: 'Vento - Km/h',
isStacked: true
};
83
var chart = new
google.visualization.LineChart(document.getElementById('velocidade'));
chart.draw(data, options);
}
function drawChuva() {
var data = google.visualization.arrayToDataTable([
['dia', 'mm'],
<?php
include('db.php');
$cons = mysql_query('SELECT DATE_FORMAT(data_hora, "%d/%m/%y") AS data, SUM(chuva) AS soma
FROM dados_sensores WHERE data_hora >= DATE_SUB(NOW(), INTERVAL 1 DAY) GROUP BY data');
while($ln = mysql_fetch_array($cons))
{
echo '["' . $ln['data'] . '", ' . $ln['soma'] . '], ';
};
?>
]);
var options = {
legend: {position: 'none'},
width: 1000, height: 300,
title: 'Chuva acumulada por dia - mm',
isStacked: true
};
var chart = new
google.visualization.SteppedAreaChart(document.getElementById('chuva'));
chart.draw(data, options);
}
google.setOnLoadCallback(drawTemperatura);
google.setOnLoadCallback(drawUmidade);
google.setOnLoadCallback(drawPressao);
google.setOnLoadCallback(drawVelocidade);
google.setOnLoadCallback(drawChuva);
</script>
84
</head>
<body style="font-family: Arial;border: 0 none;">
<div id="precipitacao" style="width: 1000px; height: 65px; margin: auto; text-align:center">
<br/><br/>
<small>Passe o cursor sobre as linhas para visualizar os dados</small>
</div>
<div id="temperatura" style="width: 1000px; height: 300px; margin: auto"></div>
<div id="umidade" style="width: 1000px; height: 300px; margin: auto"></div>
<div id="pressao" style="width: 1000px; height: 300px; margin: auto"></div>
<div id="velocidade" style="width: 1000px; height: 300px; margin: auto"></div>
<div id="chuva" style="width: 1000px; height: 300px; margin: auto"></div>
<div id="fbc" style="width: 1000px; margin: 30px auto; text-align: center">
<div class="fb-comments" data-href="http://localhost/grafico.php" data-num-posts="10" data-
width="750"></div>
</div>
<div style="text-align:right">
<small>2013 Cláudio Roberto Tenfen | [email protected]</small>
</div>
</body>
</html>
85
ANEXO 3 - Diagrama esquemático do sensor BMP085
86
ANEXO 4 - Diagrama esquemático do sensor DHT11
87
ANEXO 5 - Diagrama do Shield Ethernet
88
ANEXO 6 - Diagrama do Microcontrolador
89
ANEXO 7 - Gráficos das Últimas 24 Horas
90
ANEXO 8 - Gráficos da Última Semana
91
ANEXO 9 - Gráficos do Último Mês