sensor para monitoramento de umidade do solo utilizando energia solar

SENSOR PARA MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO UTILIZANDO ENERGIA SOLAR

Matheus Souza de Carvalho

Orientador:

Luis Rodolfo Rebouças Coutinho

Bacharelado em Engenharia de Software

Trabalho de Conclusão de Curso

Roteiro

• Introdução

• Objetivo

• Trabalhos Relacionados

• Fundamentação Teórica

• Procedimentos Metodológicos

• Resultados

• Trabalhos Futuros

• Referências

Introdução

Agricultura70%

Indústria20%

Doméstico10%

Consumo de água no mundo em 2012

IntroduçãoSensores para

Agricultura de Precisão

Monitores de Produção

Sensores de Campo

Sensores de Solo

Propriedades Alvo

- Textura- Umidade- Nutrientes- pH- Compactação

Sensores de Planta

Propriedades Alvo

- Deficiências- Stress

Estacionários e outros sensores

Sistemas de Sensoriamento

Remoto

Adaptado de: http://www.regional.org.au/au/asa/2004/symposia/4/3/217_dobermanna.htm

Objetivo

Desenvolver um protótipo plug-and-playcontrolado via comunicação sem fio, queforneça informações sobre a umidade do solo,alimentado por energia solar e com um baixocusto de produção.

Trabalho Relacionados

• HANGGORO, Aji et al. Green house monitoring and controlling using Android mobile application. In: QiR (Quality in Research), 2013 International Conference on. IEEE, 2013. p. 79-85.

• SILVA, D. et al. Controle automático da umidade do solo com energia solar para pequenos produtores. In: Embrapa Pantanal-Artigo em anais de congresso (ALICE). In: SIMPÓSIO SOBRE RECURSOS NATURAIS E SOCIOECONÔMICOS DO PANTANAL, 6.; EVENTO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO PANTANAL, 1., 2013, Corumbá, MS. Desafios e soluções para o Pantanal: resumos. Corumbá: Embrapa Pantanal, 2013.

Sensor de Umidade do Solo

Fundamentação Teórica Sensor de umidade do solo

Categorias de métodos para medição de umidade do solo

Métodos Diretos Métodos Indiretos

“Sensor é um dispositivo que gera uma grandeza no domínioda eletricidade que pode ser utilizada como medida de umparâmetro físico, químico ou biológico. No caso do sensorde umidade, informações de grandezas no domínio daeletricidade representam a medida de umidade no solo.(DE SOUZAMENDES, 2006, p.27).


Sensor de umidade do solo

Capacitivo Resistivo Outros


• Sensor capacitivo de umidade do solo

http://www.decagon.com.br/solos/sensores-umidade/ec-5/

Decagon EC-5


• Sensor resistivo de umidade do solo

http://pt.aliexpress.com/item/Soil-Hygrometer-Humidity-Detection-Module-Moisture-Water-Sensor-for-Arduino/32590228315.html

FC-28 + módulo


Sensor Capacitivo

Maior Precisão

Maior Proteção à Corrosão

Sensor Resistivo

Menor CustoX

Processo de Desenvolvimento de

Sistemas Embarcados

Visão geral do processo de desenvolvimento de sistemas

embarcados

Definição de Subsistemas

Procedimentos MetodológicosProcesso de desenvolvimento de sistemas embarcados

Desenvolver Subsistema


Integração de Subsistemas


Procedimentos Metodológicos

• Projetar o circuito elétrico do protótipo.

• Analisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo

• Desenvolver o firmware para o microcontrolador.

• Desenvolver a aplicação para comunicação com o protótipo.

• Testar e acompanhar o protótipo em execução.

• Analisar e avaliar os resultados obtidos nos testes.

Procedimentos MetodológicosIdentificação de subsistemas

• Subsistemas são módulos de hardware com finalidadesespecíficas que integram todo o sistema embarcado.

Fonte de energia(Painel fotovoltaico + Super capacitor)

Sensor resistivo de umidade do

soloMicrocontrolador

Dispositivo de comunicação

wireless

Dispositivo de comunicação wireless

Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Dispositivo de comunicação wireless

• É o subsistema responsável por efetuar a comunicaçãosem fio entre o microcontrolador e outro dispositivo quese comunique com o seu semelhante presente noprotótipo.

Aplicação requisitante

genérica

Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Dispositivo de comunicação wireless > Bluetooth

• O dispositivo Bluetooth, que foi primeiramenteselecionado, permite conexão ponto-a-ponto, tendo suacomunicação ilustrada abaixo.

Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Dispositivo de comunicação wireless > NRF24L01

• O dispositivo NRF24L01, que está presente no protótipofinal, permite conexão de múltiplos dispositivos namesma rede. A ilustração da comunicação abaixodemonstra o caso de teste abordado pelo trabalho.

Transmissor

Receptor

Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Dispositivo de comunicação wireless > Comparativo

• Comparativo entre os dispositivos wireless utilizados.

Dispositivo

wireless

Consumo com tensão

de 3.3V

Custo médio de

aquisição

NRF24L01 12mAEntre R$7,00 e

R$11,00

Bluetooth 50mAEntre R$22,00 e

R$30,00

Microcontrolador

Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Microcontrolador

• Microcontrolador é o subsistema responsável porcoordenar todos os módulos de hardware do protótipo,exceto o subsistema gerenciador de energia. Para estetrabalho, foi utilizado o ATMega328P, que tem como suafabricante a ATMEL.

• Seu custo médio no mercado se encontra entre R$11,00 eR$16,00.

Gerenciador de Energia(Painel Fotovoltaico + Super Capacitor)

Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Gerenciador de energia

• Subsistema responsável por prover e gerenciar a energiautilizada pelos demais subsistemas.

Protótipo


• Diagrama esquemático


Componente Custo médio de aquisição (un)

R1 R$0,50

R2 R$0,05

D1 R$0,50

D2 R$0,50

Q1 R$0,30

U3 R$4,00

U4 R$3,00

C1 Entre R$4,00 e R$8,00

Painel Solar Entre R$20,00 e R$30,00

Procedimentos MetodológicosProjetar circuito elétrico final do protótipo

Procedimentos MetodológicosAnalisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo

• Relação entre componentes adaptados e componentesideais.

Identificador do

componente

Componente

Adaptado

Componente

Ideal

Q1 BC557BS250P,

ZVP2106A

D1 e D2 1N4148 1N5817, BAT42

Procedimentos MetodológicosDesenvolver o firmware para o microcontrolador

• Desenvolvido utilizando a plataforma Arduino, juntamentecom o gravador de firmware USBASP 2.0, paramicrocontroladores AVR ATMEL.


• Diagrama de máquina de estado


• Diagrama de comunicação

Procedimentos MetodológicosTestar e acompanhar o protótipo em execução

Resultados• O subsistema gerenciador de energia forneceu energia

suficiente para a alimentação do protótipo entre às 08:00 e às 16:00.

• O super capacitor demorou um pouco mais de 1 minuto para atingir sua carga completa.

• Com a interrupção do fornecimento de energia pelo painelsolar e o super capacitor totalmente carregado, o protótipoconsumiu toda a energia armazenada em um pouco mais de 1 minuto.

• O subsistema gerenciador de energia foi substituído por 2 pilhas AA de 1.5V cada. O protótipo demorou cerca de 19h para drenar a energia provida pelas pilhas.

Resultados• A precisão do sensor de umidade do solo foi satisfatória,

mas não a ideal.

• Foi utilizado 2Kg de terra proveniente de um terreno de cultivo na cidade de Quixadá

• A água precisa ser despejada próxima à sonda de detecçãopara melhores resultados.

• Após despejar, o sensor levou cerca de 20 minutos para estabilizar a leitura de umidade do solo. Esse tempo pode variar de acordo com o tipo de solo e a velocidade de infiltração da água nesse solo.

Resultados• O custo para a construção do protótipo proposto neste

trabalho atingiu cerca de R$70,00. Este custo refere-se apenas ao transmissor dos dados de umidade.

• Se o receptor dos dados for incluído nos custos, deverá seracrescentado R$21,00, totalizando assim R$91,00.

• É importante salientar que os custos mencionadoscontabilizam apenas os valores dos componentesadquiridos.

• Também foi possível validar a eficácia e cobertura dos casos do processo proposto neste trabalho. Todo o desenvolvimento seguiu os passos do processo.

Trabalhos Futuros• Com o trabalho de desenvolvedores de layouts de placas de

circuito e designers de produto, poderia ser criado um produto real e inovador a partir do protótipo desenvolvidoneste trabalho

• Criar uma interface de comunicação entre o receptor dos dados de umidade e uma aplicação requisitante por onde o usuário irá interagir.

• Aplicar vários exemplares do protótipo desenvolvido nestetrabalho para realizar o sensoriamento em rede de um terreno de cultivo bem mais amplo. Os firmwaresdesenvolvidos também estão preparados para funcionarcomo uma rede de sensores.

Referências• Água. ONU. Disponível em: <http://nacoesunidas.org/acao/agua>. Acesso

em 3 nov. 2015.

• Água no Brasil. Folha de São Paulo, São Paulo, 11 jan. 2015. Disponível em:<http://www1.folha.uol.com.br/infograficos/2015/01/118521-agua-no-brasil.shtml>. Acesso em 4 nov. 2015.

• BENEDÍ, J. A.; MUÑOZ-CARPENA, R. Soil-water-solute process characterization: an integrated approach. Florida: CRC Press, 2005. 787 p.

• COSTA, BRS; SANTOS, L. M.; BASSOI, L. H. Calibração do sensor de capacitância IRRIGAP® para a medida da umidade em solo do Semiárido. In: Embrapa Semiárido-Artigo em anais de congresso (ALICE). In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 42., 2013, Fortaleza. Anais... Fortaleza: SBEA, 2013., 2014.

http://nacoesunidas.org/acao/agua

http://www1.folha.uol.com.br/infograficos/2015/01/118521-agua-no-brasil.shtml

Referências• DE SOUZA MENDES, Paulo Cesar. CARACTERIZAÇÃO DE UM SENSOR

PARA MEDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO COM TERMO-RESISTOR A TEMPERATURA CONSTANTE. 2006. Tese de Doutorado. Universidade Federal da Bahia.

• Dia Mundial da Água. FAO, Santiago do Chile, 22 mar. 2012. Disponível em: <https://www.fao.org.br/DMApcqcn15mladFAO.asp>. Acesso em 4 nov. 2015.

• GIACOMIN, J. C. Eletrônica Básica. In: Universidade Federal de Lavras –Departamento de Ciência da Computação, Lavras. Disponível em: <http://professores.dcc.ufla.br/~giacomin/Com145/AD_DA.pdf>. Acessoem 5 fev. 2016.

• HANGGORO, Aji et al. Green house monitoring and controlling using Android mobile application. In: QiR (Quality in Research), 2013 International Conference on. IEEE, 2013. p. 79-85.

https://www.fao.org.br/DMApcqcn15mladFAO.asp

Referências• How does a Supercapacitor work?. Battery University, Vancouver, 24 ago.

2015. Disponível em: < http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor>. Acesso em 5 fev. 2016.

• NASCIMENTO, C. Princípio de funcionamento da célula fotovoltaica. 2004.Monografia (Graduação)–Universidade Federal de Lavras. Curso de Pós-Graduação LATU SENSU em Fontes Alternativas de Energia. Minas Gerais, 2004.

• SILVA, C. R.; ANDRADE JÚNIOR, A. S.; SOUZA, C. F. Aspectos práticos na utilização da técnica de capacitância: desafios e aprendizagem. Aplicações de Técnicas eletromagnéticas para o monitoramento ambiental, v. 1, p. 25-45, 2008.

http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor

Referências• SILVA, D. et al. Controle automático da umidade do solo com energia solar

para pequenos produtores. In: Embrapa Pantanal-Artigo em anais de congresso (ALICE). In: SIMPÓSIO SOBRE RECURSOS NATURAIS E SOCIOECONÔMICOS DO PANTANAL, 6.; EVENTO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO PANTANAL, 1., 2013, Corumbá, MS. Desafios e soluções para o Pantanal: resumos. Corumbá: Embrapa Pantanal, 2013.

• SILVA, Daniel Olegário Matos. VALIDAÇÃO DE UM SENSOR DE DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DO SOLO PARA O MANEJO DA IRRIGAÇÃO. 2013. Dissertação de pós-graduação - Universidade Federal Vale do São Francisco, Juazeiro. 2013.

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