sistema de telemetria e telecomando para suporte À

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTOS ACADÊMICOS DE ELETRÔNICA E MECÂNICA

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

MARCELO MAREGA PINHEL

GUSTAVO PAINI BEZERRA

SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE

À AGRICULTURA URBANA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CURITIBA

2018



SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE À

AGRICULTURA URBANA

Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, dos Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo. Orientador: Prof. Sidney Carlos Gasoto

CURITIBA

2018

TERMO DE APROVAÇÃO



AGRICULTURA URBANA

Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 06 de abril de 2018, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

______________________________ Prof. Dr. Milton Luiz Polli Coordenador de Curso

Departamento Acadêmico de Mecânica

______________________________ Prof. M.Sc. Sérgio Moribe

Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Celso Salamon Prof. Dr. João Antônio Palma Setti UTFPR UTFPR

Prof. Dr. Simone Crocetti Prof. Me. Sidney Carlos Gasoto UTFPR Orientador - UTFPR

“A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso”

Ofereço este trabalho à humanidade. Que

os estudos aqui realizados possam

contribuir na união da tecnologia como

alicerce para o desenvolvimento humano

sustentável.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a todos os meus professores com ênfase para:

- Prof. Dr. Gilson Y. Sato, por despertar em mim a paixão por sistemas

embarcados;

- Prof. Dr. Luis Paulo Laus, pela rigidez;

- Prof. Dr. Anderson Levati Amoroso. O melhor professor que já tive na

vida, definitivamente comprometido com a excelência do ensino.

- Prof. Dr. Celso Salamon, visionário;

- Prof.M.e, Sidney Carlos Gasoto, pela orientação e amizade.

Agradeço à Universidade Tecnológica Federal do Paraná por abrigar um

jovem em sua trajetória ao profissionalismo.

Agradeço aos meus colegas de sala: Raul “marujo”, Luís Guilherme “moita”,

Paulo Garcia “Campo Largo”, Thiago Grola e Carlos Charnei.

Agradeço a Favo Tecnologia “wonderfull team”, por realizar todos os meus

sonhos.

Pai, mãe, vô e vó, agradeço a vocês pela fé inabalável depositada em mim

todos esses anos.

Por último e mais importante, meus sinceros agradecimentos à Raissa

Yamasaki Rodrigues, companheira, parceira, amiga e sócia. A mulher da minha vida

e dos meus sonhos.

Agradeço aos meus mestres por doarem seu tempo, dedicação e paciência,

pelo aprendizado incalculável que obtive na vida acadêmica.

Agradeço ao meu pai, mãe e irmão, pelo apoio incondicional e por nunca

desistirem de mim.

Agradeço também a Larissa Madelyn Geraldo, meu amor, pelo suporte e

compreensão nesta caminhada, pela ajuda, companheirismo e comprometimento.

E agradeço principalmente o Senhor Marcelo Marega Pinhel pelo convite a

participar deste projeto maravilhoso, pela confiança e pela grande parceria em tantos

outros projetos importantes.

“Se tirar sem pôr, acaba”.

(autor desconhecido)

RESUMO

PINHEL, Marcelo; BEZERRA, Gustavo. Sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura urbana. 2018. 98 folhas. Trabalho de conclusão de curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura, visando reaproximar as pessoas dos grandes centros urbanos do cultivo de alimentos. Retirando os obstáculos que as afastam devido ao estilo de vida das grandes cidades, sendo o principal a falta de tempo, além de eliminar o compromisso da manutenção das condições de cultivo, empregando tecnologias de controle desenvolvidas para a aquisição de dados, julgamento e atuação para garantir o ideal desenvolvimento do vegetal. Para tal, lança-se mão de tecnologias já solidificadas para a aquisição de dados de temperatura e luminosidade, tecnologias em grande expansão que prometem revolucionar a indústria com a fabricação in loco, a fabricação digital, e desenvolvem-se tecnologias próprias para a aquisição de dados de umidade para garantir o melhor funcionamento e eficácia dos dados adquiridos e utilizados para o controle das condições. O processo de desenvolvimento de cada um nos sistemas assim como a integração dos mesmos foi retratado e explorado. Foi construído um protótipo, que foi submetido a uma série de testes, para comprovação da resistência às intempéries do meio e onde foram coletados dados, validados através de métodos de controle estatístico para a comprovação de sua eficácia. O sistema desenvolvido nesse estudo evidenciou estabilidade satisfatória na comunicação sem fio, permitindo análise dos dados obtidos pelos sensores e telecomando para controle de irrigação. O dispositivo instalado no local de cultivo se mostrou robusto à chuva e umidade permanecendo no local durante o período de cultivo. Palavras-chave: Agricultura Urbana. Aquisição de Dados. Cultivo. Desenvolvimento.

ABSTRACT

PINHEL, Marcelo; BEZERRA, Gustavo. Telemetry and control remote system to urban agriculture support . 2018. 98 folhas. Trabalho de conclusão de curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.

This work introduces a development of a Telemetry and remote control system to support urban agriculture, seeking the rapprochement of people in great urban centers and the food cultivation. Removing obstacles which take people away because of their lifestyle, being the main reason, the lack of time, besides eliminating the commitment to the maintenance of the conditions of cultivation, using developed control technologies for the data acquisition, judgment and acting to ensure the ideal vegetable development. For this, we use solidified technologies for data acquisition of temperature and luminosity, great expansion technologies that promises an industry revolution with an in loco manufacturing, digital manufacturing, and develop new own technologies for humidity data acquisition for conditions control. The development process of each system as his integration was portrayed and explored. A prototype was built and was subjected to a series of test, to prove it's weather resistance and data collected, validated through statistical control methods to prove it's efficacy. The system developed in this study evidenced satisfied stability on wireless communication, allowing data analysis got with the sensors and irrigation remote control. The device installed on the place of cultivation presented to be robust to resist rain and humidity staying in the field for the whole cultivation period. Keywords: Urban Agriculture. Data Acquisition. Cultivation. Development.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Projeto mecânico da primeira versão do equipamento…………....… 26

Figura 2 - Esquema do sensor de temperatura MCP0700/9701……….….….... 27

Figura 3 - Primeira versão do equipamento sendo testada em campo…........... 27

Figura 4 - Ilustração da atração de íons para a sonda do sensor de umidade... 28

Figura 5 - Sensor LDR - (a) simbologia e (b) constituição……………………..... 34

Figura 6 - Modelo tampa de bomba de óleo em software CAD…………………. 42

Figura 7 - Modelo com linhas de impressão gerados por software CAM…….... 43

Figura 8 - Funcionamento básico de uma impressora 3D FDM………………… 43

Figura 9 - Produto final impresso………………………………………………….... 44

Figura 10 - Área de cultivo para testes, em construção………………………….... 45

Figura 11 - Dimensões da área de cultivo…………………………………………... 46

Figura 12 - Disposição dos componentes de drenagem da área de cultivo…….. 46

Figura 13 - Área de cultivo finalizada………………………………………………... 47

Figura 14 - Irrigação por mangueiras de gotejamento…………………………….. 48

Figura 15 - Mangueira de irrigação por gotejamento………….………………….. 48

Figura 16 - Conjunto Modelado em Software CAD SolidWorks®………………... 49

Figura 17 - Impressora 3D utilizada para fabricação, modelo Graber i3

modificada………………………………………………………………… 51

Figura 18 - Modelo matemático da tampa já posicionado na posição ideal de

impressão……………………………………………..………………...... 52

Figura 19 - Representação do conjunto montado. Tampa, corpo e O’ring…….... 52

Figura 20 - Modelo matemático Condutor do Sensor de umidade/ condutor do

sensor de umidade fabricado…………………………………………… 53

Figura 21 - Alimentação dos circuitos analógicos………………………………….. 55

Figura 22 - Alimentação dos circuitos analógicos………………………………..... 56

Figura 23 - Alimentação dos circuitos digitais………………………………………. 57

Figura 24 - Esquemático parcial da placa Core board…………………………….. 57

Figura 25 - Módulo ADS1115………………………………………………………… 58

Figura 26 - Placas do protótipo finalizadas…………………………………………. 58

Figura 27 - Placas encaixadas prontas para serem encapsuladas……………… 59

Figura 28 - Testes para sensor de umidade em corpos de prova

padrão………................................................................................... 60

Figura 29 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 5%....... 66

Figura 30 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 10%..... 67









Figura 39 - Gráficos da adequação dos modelos pela função de powerlaw pelos

dados experimentais…………………………………………………….. 76

Figura 40 - Processo de sincronia do dispositivo com a rede local………………. 79

Figura 41 - Tópicos de inscrição do dispositivo…………………………………….. 83

Figura 42 - Tópicos de publicação do dispositivo………………………………….. 84

Figura 43 - Plantas cultivadas com auxílio do sistema de telemetria e telecomando

para suporte à agricultura urbana ………………................................ 85

Figura 44 - Alface-crespa (Lactuca sativa var. crispa) cultivada no ambiente de

teste deste estudo ……………………………………........................... 85

Figura 45 - Variedade de alimentos produzida em âmbito urbano com auxílio do

sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura

urbana................................................................................................. 86

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 – Verificação da parcela de cultivadores urbanos, pesquisa feita no

google forms…………………………………………………………….... 21

Gráfico 2 – Verificação das principais limitações para que o cultivo urbano,

pesquisa feita no google forms……………………………………….....21

Gráfico 3 – Resposta de crescimento do brócolis e milho em diferentes

temperaturas na fase vegetativa……………………………………...... 32

Gráfico 4 – Resistência versus luminosidade. ……………………………………... 32

Gráfico 5 – Resposta espectral do resistor dependente de luz…………………... 33

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Tabela de dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo

(dia 1 - 1)............................................................................................ 61

Tabela 2 – Tabela de dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo

(dia 1 - 2)............................................................................................ 62

Tabela 3 – Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo

(dia 2 - 1)............................................................................................ 62

Tabela 4 – Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo

(dia 2 - 2)............................................................................................ 63

Tabela 5 – Valores medidos para a geração do CEP…………………………...... 65

Tabela 6 – Coeficientes obtidos através do software R para o modelo do sensor de

umidade do solo………………………………………………………….. 77

LISTA DE ACRÔNIMOS

ADC Analog/Digital Converter

CAD Computer Aided Design

CAE Computer Aided Engineering

CAM Computer Aided Manufacturing

CdS Cadmium sulfide

CNC Computer Numerical Control

ESCP Expressive Systems Smart Connectivity Platform

FDM Flused Deposition Material

FAO Foodand Agriculture Organization

GPIO General Purpose Input/Output

I²C Inter-Integrated Circuit

ISO International Organization for Standardization

LDR Light Dependent Resistor

MQTT Message Queue Telemetry Transport

OSI Open System Interconnection

PDM Project Data Management

PLM Product Lifecycle Management

STL Standard Triangle Language

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

TDR Time-domain reflectometer

UART Universal asynchronous receiver/transmitter

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 17

2 DELIMITAÇÃO DO ESTUDO.......................................................................... 19

3 PROBLEMA........................................... ......................................................... 20

4 OBJETIVOS.......................................... .......................................................... 23

4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS....................................................................... 23

5 JUSTIFICATIVA............................... ............................................................... 24

6 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO.................. .......................................... 25

7 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA....................... ............................................... 29

7.1 AGRICULTURA URBANA…………………….……………………………… 29

7.2 OS SENSORES……………………………………………............................. 31

7.2.1 Sensores de temperatura e luminosidade……………………...................... 31

7.2.2 Sensor de umidade…………………………………...................................... 34

7.3 SISTEMAS EMBARCADOS………………...…….………………….............. 35

7.4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO………………....…………………...... 36

7.4.1 Modelo OSI………………………………………………………………........... 36

7.4.2 TCP/IP…………………………………………………………………............... 37

7.4.3 MQTT……………………………………………………………...……............. 39

7.5 FABRICAÇÃO DIGITAL………………………………………………….......... 39

7.5.1 Modelagem em software CAD……………………………………….............. 41

7.5.2 Software CAM………………………………………….................................... 42

8 METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO.............. ..................................... 44

8.1 ÁREA DE CULTIVO PARA TESTES……………………………………........ 44

8.2 PROJETO MECÂNICO………………………………………………………... 49

8.2.1 Corpo principal………………………………………………………................. 50

8.2.2 Condutores do sensor de umidade……………………………......................53

8.3 PROJETO ELETRÔNICO…………………………………………………....... 54

8.3.1 Esquema eletrônico…………………………………………………................ 54

8.3.2 Power board…………………………………………………………................. 54

8.3.3 Core Board………………………………………………….............................. 57

8.3.4 Testes de viabilidade da utilização do sensor de umidade…………...........59

8.3.5 Confiabilidade do sensor……………………………….................................. 63

8.3.6 Modelo estático do sensor de umidade de solo…………………................. 76

8.4 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE DO MICROCONTROLADOR….. 77

8.4.1 Sincronia do dispositivo com a rede local……………….............................. 78

8.4.2 Operação do dispositivo……………………………………........................... 80

8.4.2.1 Controle da irrigação…………………………………………………………… 81

8.4.2.2 Publicação e subscrição via mqtt…………………………………………… 82

9 RESULTADOS......................................... ....................................................... 84

10 CONSIDERAÇÕES FINAIS......................... ................................................... 85

REFERÊNCIAS....................................................................................................... 89

ANEXOS.................................................................................................................. 94

ANEXO A - OVERVIEW DATASHEET ESP8266EX............. ................................. 94

ANEXO B - FEATURES, APPLICATIONS AND DESCRIPTION D ATASHEET

ADS111x............................................ ..................................................................... 95

APÊNDICES............................................................................................................ 96

APÊNDICE A - PESQUISA SOBRE AGRICULTURA URBANA..... ...................... 96

17

1 INTRODUÇÃO

A prática da agricultura pelo homem tem uma associação intrínseca ao

desenvolvimento da humanidade. Técnicas milenares são passadas por gerações e

praticadas até hoje nos campos de cultivo, provendo alimentação básica para as

populações. Apesar das técnicas atuais em agricultura permitirem que haja

aglomerados urbanos de alta densidade — como as grandes conurbações — essa

prática fica, em sua maioria, restrita a áreas rurais, e não é conhecida e/ou praticada

pela maior parte da população, que se encontra nas cidades.

Com o crescimento acelerado das cidades, criou-se a necessidade de

desenvolver novas técnicas de cultivo, armazenamento e transporte de alimentos, já

que essa produção está longe dos lugares onde há a demanda. Dessa crescente

urbanização, além do fornecimento de alimentos, resultam outros problemas como a

preservação ambiental e a oferta de empregos. A falta de alimentos para a

população é uma preocupação crescente. Esforços são dedicados diariamente para

otimizar a oferta de alimentos de forma sustentável, saudável e escalável

(MACHADO e MACHADO, 2002).

Segundo Assis Aquino (2007), muitos problemas são evidenciados devido a

urbanização não planejada; e com a crescente urbanização e o aumento

populacional nas cidades, problemas como o fornecimento de alimentos,

preservação ambiental e oferta de empregos só irão aumentar.

Normalmente não é feito nenhuma associação entre a agricultura e o meio

urbano, já que esta sempre foi praticada em meio rural. Entretanto, a chamada

agricultura urbana é uma atividade praticada pela população, mesmo que pouco

expressiva. Essa atividade tem despertado um elevado e crescente interesse, tanto

dos urbanistas, quanto dos pesquisadores e responsáveis por elaboração de

políticas, na medida em que, onde se estabeleceu com eficiência, desempenhou um

papel muito importante na alimentação das populações urbanas, garantindo a sua

sobrevivência (FAO, 1999).

18

“A prática da agricultura urbana compreende o exercício de diversas atividades relacionadas à produção de alimentos e conservação dos recursos naturais dentro dos centros urbanos ou em suas respectivas periferias, surge como estratégia efetiva de fornecimento de alimentos, de geração de empregos, além de contribuir para a segurança alimentar e melhoria da nutrição dos habitantes das cidades.” (Machado; Machado, 2002)

O desenvolvimento de novas técnicas para agricultura urbana viabiliza o

cultivo em locais não favoráveis e a adaptação para incluir essa tarefa na vida dos

residentes das cidades, provendo alimentos para a população e contribuindo para o

desenvolvimento sustentável de um centro urbano.

Produzir alimentos utilizando-se de espaços improdutivos como o terraço de

um edifício ou o telhado de uma casa, coletando a água da chuva, aproveitar os

resultados do modo de vida dos grandes centros urbanos como dióxido de carbono e

o calor. Ao cultivar alimentos em centros urbanos, atua-se diretamente na diminuição

do impacto ambiental causado pelas intervenções da humanidade.

A rotina de um agricultor que pratica suas atividades no campo, bem como o

acesso a informações e técnicas de cultivo muito se difere da rotina habitual de

quem vive nos meios urbanos. Com uma metodologia de produção e distribuição de

alimentos bem definida, porém insatisfatória, já que o transporte é responsável pela

maior parte dos custos logísticos, e chega a representar, em média, 60% destes

(FLEURY; WANKE; FIGUEIREDO, 2000).

Os centros urbanos por sua vez, nos possibilitam acesso a informações e

cruzamento de dados de maneira global. Este estudo propõe uma solução

envolvendo um sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura

urbana, com foco em solucionar dois problemas: reduzir o tempo necessário para

manutenção da área de cultivo e facilitar o acesso do agricultor às informações

relacionadas ao cultivo.

O trabalho encontra-se estruturado da seguinte maneira:

1 -Introdução: O tema é apresentado. É introduzido o problema, a justificativa e a

estrutura do trabalho.

2 - Delimitação do estudo: É apresentado o objetivo do estudo, as premissas e os

objetivos do mesmo.

3 - Problema: Será dissecado o problema apontando quais fatores devem ser

abordados e focos do estudo.

19

4 - Objetivos: São definidos os objetivos da pesquisa e definido os pontos

estratégicos para o desenvolvimento do equipamento.

5 - Justificativa: São levantadas todas as dificuldades que envolve o tema,

agricultura urbana, e definidos os principais, que serão o ponto de partida para o

desenvolvimento do projeto.

6 - Procedimentos Metodológicos: Aborda-se a estrutura do desenvolvimento do

trabalho, o ponto de partida para cada função/especificação.

7 - Fundamentação Teórica: Serão fundamentados todos os procedimentos e

ferramentas utilizadas no desenvolvimento do equipamento.

8 - Desenvolvimento do Projeto: É descrito o procedimento de desenvolvimento,

testes e validação de cada funcionalidade do equipamento, bem como a sua

estrutura.

9 - Conclusão: São feitas as considerações finais, apresentado o resultado, e as

possíveis melhorias para um estudo futuro.

2 DELIMITAÇÃO DO ESTUDO

Este estudo tem como objetivo a confecção do protótipo de um produto

destinado a dar suporte aos agricultores urbanos, colhendo em tempo real alguns

dos dados vitais para o desenvolvimento do plantio, arquivando histórico destes

dados em nuvem para permitir o planejamento e a manutenção adequada. O

constante desenvolvimento de técnicas oriundas da agricultura urbana se estende

conforme a necessidade aumenta, e este estudo apresenta uma possibilidade de

ferramenta de suporte; dentre outras; presente nos dias atuais. Para o

desenvolvimento do protótipo, técnicas de manufatura foram consideradas visando a

reprodução do equipamento em escala global através do compartilhamento dos

arquivos de projeto em formato digital. Para confecção do equipamento em escala

comercial ou industrial, modificações são necessárias. Para a continuação deste

estudo, uma interface gráfica com estudos apropriados de usabilidade foi

desenvolvida, porém este estudo não contempla seu desenvolvimento.

20

O dispositivo/protótipo deve ser conectado à internet para algumas

configurações como por exemplo, frequência de irrigação e respectivo volume de

água, etc. Um aplicativo Android foi desenvolvido para esta aplicação, porém este

estudo não contempla o seu desenvolvimento.

3 PROBLEMA

Segundo a Foodand Agriculture Organization (FAO) (1999), que é uma

agência da ONU para alimentação e agricultura, a agricultura local, orgânica, e em

pequena escala é uma solução para a erradicação da fome no mundo. A tecnologia

voltada ao cultivo de alimentos, mesmo com todo o investimento em pesquisa e

métodos de automação agrícola, acaba beneficiando apenas grandes produtores

com capital suficiente para tal investimento. Além disso, o pequeno contingente de

consultoria aliado com a escassez de trabalhadores treinados em agricultura de

precisão,são problemas comumente encontrados. (RESENDE et al., 2010).

Os autores deste trabalho realizaram uma pesquisa online com uma amostra

total de 177 indivíduos para identificar quais eram os fatores classificados pelos

simpatizantes do cultivo urbano como impeditivos ou limitantes. A pesquisa em

questão foi realizada com estruturas condicionais. Isto significa que dependendo da

resposta do indivíduo, ele era conduzido a uma pergunta específica, por exemplo,

aqueles que responderam que não são praticantes de cultivo urbano eram

conduzidos a perguntas para classificar a intenção de se iniciar no cultivo, e em

seguida, quais eram os fatores que ele identificava como impeditivo para o início da

prática. Como este trabalho foca no desenvolvimento de uma ferramenta para

suporte à agricultura urbana, os dados apresentados focam nos praticantes do

cultivo. Dada a natureza da pesquisa explicada neste parágrafo, o leitor pode

encontrar um número diferente de amostras em cada relatório.

Nossa pesquisa revelou que em uma amostra de 106 indivíduos, 22,6% dos

entrevistados categorizam a falta de tempo como fator impeditivo para o cultivo, e

14,2% declararam a falta do conhecimento básico necessário para a prática,

conforme evidenciado nos gráficos 1 e 2.

21

Gráfico 1 – Verificação da parcela de cultivadores urbanos, pesquisa feita no google forms.

Fonte: Autoria Própria (2017).

Gráfico 2 – Verificação das principais limitações p ara que o cultivo urbano, pesquisa feita no

google forms. Fonte: Autoria própria (2017).

É notável também, como principal limitador para a prática da agricultura

urbana, a falta de espaço a ser destinado para o cultivo.

Com as deficiências citadas na agricultura no campo, no âmbito urbano,

essa diferença consegue se tornar ainda mais discrepante. Trazer as técnicas de

cultivo do campo para os centros urbanos, torna-se muitas vezes impraticável. O

clima, acesso a insumos e técnicas, ferramentas especializadas e a rotina do

cidadão urbano caracterizam alguns desses problemas.

22

Em centros urbanos, nos modelos atuais e com as devidas relações de

trabalho, o tempo é facilmente caracterizado como um grande limitante para que

novas atividades, tal como o cultivo de alimentos, sejam incorporadas na rotina da

população nas cidades. Soma-se a esse limitante a falta de experiência e

conhecimento das técnicas empregadas.

Devido ao êxodo rural no Brasil, podemos inferir que o cultivo de alimentos

em âmbito domiciliar perdeu adeptos. Analisando dados da nossa pesquisa,

evidenciamos que a falta de espaço de cultivo, comum em ambiente de grandes

cidades, caracterizou-se como limitante para um grande percentual de adeptos. A

prática hoje incentivada, se resume a obtenção de alimentos pela disponibilidade

dos mercados locais, onde as informações do cultivo daquele alimento, como o uso

de agrotóxicos nocivos à saúde, são comumente omitidas. Cultivar alimentos

localmente possibilita acesso a alimentos diferentes dos oferecidos pelos modelos

majoritariamente praticados, bem como disponibiliza ao cultivador/consumidor a

escolha de técnicas de plantio que estejam de acordo com suas expectativas.

Sendo a agricultura uma ciência com muitas variáveis, tais como a

temperatura ambiente, tipo de solo, umidade relativa do ar, que mudam de região

para região, torna-se muito difícil para pessoas que nunca tiveram contato com a

prática, ou auxílio de um amigo ou familiar, porém essas variáveis podem ser

medidas por sensores, ou até mesmo inferidas pela posição geográfica, por um

baixo custo.

Um sistema de telemetria capaz de medir a umidade do solo (e intervir

quando necessário), temperatura ambiente, incidência de luz e se localizar

geograficamente, facilita a produção de alimentos por qualquer pessoa que tenha

acesso fácil à internet, energia elétrica e água, ou seja, pessoas residentes nas

cidades, pois para as outras grandezas também influentes na prática da agricultura,

tais como ph, tipo e nutrientes disponíveis no solo, drenagem do local e pragas, é

possível inferir com a ajuda do usuário. O usuário poderia utilizar sua percepção,

cruzando referências com material didático para informar ao sistema e aos outros

usuários informações sobre o andamento do seu cultivo. Informações como:

presença de pragas; tonalidade das folhas; tempo de desenvolvimento das plantas;

uso medicinal ou culinário, e técnicas de cultivo. Para isso, faz-se necessário a

catalogação das mudanças nas variáveis que estão aptas a medições através dos

23

sensores disponíveis no equipamento, de acordo com o ambiente em que ele se

encontra, tendo uma base de dados comum para todos os usuários.

Partindo das condições básicas para o cultivo, plantas necessitam de água e

luz nas devidas proporções, clima propício, dióxido de carbono e um solo fértil. Um

sistema de telemetria simples voltado a agricultura permite a obtenção dos valores

de luz, água e temperatura ambiente de cada espécie de planta está sendo

cultivada, sem a necessidade da intervenção do cultivador, poupando este da rotina

diária de irrigação.

4 OBJETIVOS

Desenvolver um sistema de telemetria de baixo custo voltado a agricultura

urbana com controle em malha fechada de fornecimento de água, medindo

temperatura ambiente, umidade do solo e incidência de luz, armazenando os dados

em um servidor remoto permitindo processamento em nuvem e acesso global aos

dados de cultivo.

4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Desenvolver sensor resistivo de umidade gravimétrica do solo;

Projeto dos circuitos eletrônicos responsáveis pelo ajuste de tensão

aos padrões necessários para os circuitos digitais e analógicos;

Projeto do circuito eletrônicos responsável pelo controle do

funcionamento da válvula de controle de fluxo;

Projetar e fabricar encapsulamento dos circuitos e sensores visando a

fabricação por manufatura aditiva, comumente conhecida como impressora 3D, em

máquinas de baixo custo;

Desenvolver firmware do microcontrolador;

Testar a resistência da solução a exposição a chuva;

24

Desenvolver sistema de obtenção de dados com comunicação sem fio

TCP/IP via protocolo MQTT;

5 JUSTIFICATIVA

Técnicas de cultivo e manejo de alimentos acompanham o desenvolvimento

da humanidade desde tempos remotos. Em cada espaço, no seu devido tempo,

técnicas foram criadas e/ou aprimoradas para atender a demanda que aquela

condição específica requisitava. A justificativa para o desenvolvimento de técnicas

relacionadas ao cultivo de alimentos tem suas inúmeras vertentes. A agricultura de

precisão por exemplo, sustentada pelo agronegócio monocultor, tem como base

maior produtividade e consumo assertivo de insumos. A permacultura e agrofloresta,

na contramão ao agronegócio, visa restabelecer o equilíbrio natural dos biomas

envolvidos em cada local de cultivo, para isso, as fases da lua são muito utilizadas

para determinar épocas de plantio e colheita. Já no quesito agricultura urbana, o

desenvolvimento tende a estar relacionado à redução da distância entre a produção

e o consumidor final, bem como a prática relacionada a lazer e recreação dos

praticantes.

Ainda sobre a agricultura urbana, Machado e Machado (2002) ressaltam que

ela surge como uma ferramenta para o fornecimento de alimentos, geração de

empregos e contribuição para a segurança alimentar dos moradores das cidades,

englobando diversas atividades relacionadas à produção de alimentos, e

conservação de recursos naturais.

De acordo com a pesquisa online feita pelos autores em formato de

formulário, disponível no APÊNDICE A, com 133 cultivadores urbanos, os problemas

mais relatados estavam relacionados a falta de conhecimento sobre as práticas

necessárias, tempo e espaço para cultivo. Dentro da problemática de informação,

notou-se em maior recorrência:

• Falta de conhecimento sobre a quantidade exata de água que cada

cultivo necessita para se desenvolver idealmente;

25

• Falta de conhecimento sobre a sazonalidade das plantas, implicando

no plantio fora do requisitado pela espécie;

• Como combater pragas e doenças;

• Falta de informação sobre o preparo do solo e condições de

fertilização;

• Quantidade mínima de luz direta que cada planta necessita para se

desenvolver.

Dentro da problemática de tempo, notou-se maior recorrência em:

• A falta dos cuidados relacionados a irrigação quando o praticante se

ausenta do local de cultivo por tempo maior que um dia.

• A diferença nos perfis de irrigação decorrente das mudanças

climáticas, sendo que em ambientes com baixa umidade relativa do

ar, faz-se necessário regas periódicas durante o dia.

Este estudo tem por finalidade, auxiliar a população na aquisição de dados

sobre o cultivo urbano, adequar as técnicas para o modo de vida comumente

praticado nas cidades viabilizando o cultivo para aqueles que vivenciam dos

problemas já citados.

6 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

A primeira etapa do processo, já desenvolvida para a validação dos

conceitos e realização de testes, consistiu no projeto e construção da primeira

versão do equipamento, incluso projeto eletroeletrônico, projeto mecânico, firmware

básico do microcontrolador e a fabricação dos componentes não obtidos

comercialmente, que são: sensor de umidade, confecção de placa de circuito

impresso e encapsulamento impermeável à chuva.

Nesta primeira versão foi separado o tratamento do sinal de alimentação em

dois blocos, um com um regulador tipo buck e outro com um regulador linear, por

razão e adequação do sinal para os sensores, que são sensíveis a ruído, e para

conseguir fornecer a corrente necessária para todos os periféricos. Alguns

26

problemas foram identificados, como por exemplo, erro na leitura do sensor de

umidade devido ao acúmulo de cargas em seus eletrodos.

Figura 1: Projeto mecânico da primeira versão do eq uipamento.

Fonte: Autoria própria (2017).

O projeto dos circuitos eletroeletrônicos consiste em um sistema embarcado,

contendo adequação da tensão de alimentação, microcontrolador modelo

ESP82661fabricado pela Espressif, conversor analógico digital ADS 11152, em rede

I²C topologia mestre-escravo.

O firmware básico do microcontrolador é responsável pelo processamento

dos sinais obtidos dos sensores, bem como controlar a atuação da válvula de

controle de fluxo de água e disponibilizar os dados para o usuário.

As placas de circuito impresso foram confeccionadas pelos autores

utilizando tintas fotossensíveis e métodos de corrosão. Esse processo foi escolhido

1 Anexo A 2 Anexo B

27

devido a confiabilidade e precisão do produto final aliado ao baixo custo de

fabricação.

Para a medição de temperatura foi escolhido um circuito integrado

comercial, o MCP9701A da Microchip, que é um sensor baseado em termistores, e

converte temperatura em tensão analógica. Esse sensor é um circuito integrado de

baixo custo, e baixo consumo de corrente com uma precisão de 1ºC em

temperaturas entre 0°C e +70°C (MICROCHIP, 2016). O sensor pode ser visto na

figura 2.

Figura 2: Esquema do sensor de temperatura MCP0700/ 9701.

Fonte: MICROCHIP (2016)

O projeto mecânico do encapsulamento, mostrado na figura 1, e sendo

testado em campo na figura 3, foi desenvolvido visando resistência a intempéries

com auxílio de software CAD, fabricado por métodos de deposição de polímeros

controlado por máquina de comando numérico computadorizado (impressora 3D).

Figura 3: Primeira versão do equipamento sendo test ada em campo.


28

Para obter de um produto final com o menor custo possível, o método

escolhido para o funcionamento do sensor foi a medição da resistência do solo. O

sensor de umidade foi confeccionado em aço inox 304, com auxílio de usinagem e

fabricação digital. O funcionamento do sensor ocorre da seguinte forma: em uma

sonda é aplicado um sinal contínuo, e a outra sonda se torna a referência desse

circuito, fazendo um divisor de tensão com a resistência desconhecida do solo.

Mas para converter esse valor de resistência em valores de umidade do

solo, foram necessários testes extensos para catalogar cada faixa de resistência

equivalente a um parâmetro de umidade de solo e, também, para verificar a

repetibilidade e precisão do sensor.

A primeira etapa foi a execução do projeto e a fabricação da nova versão

das placas de circuito impresso, e na elaboração de uma rotina auxiliar no sensor de

umidade capaz de reverter o fluxo de elétrons para evitar o acúmulo de íons na sua

sonda, notados em testes com a primeira versão. Esse problema se deu por conta

da corrente contínua aplicada no sensor, fazendo com que em seu meio aparecesse

um potencial elétrico, e as cargas contidas no solo e na água fossem atraídas para a

sonda do sensor, como exemplificado na figura 4.

Figura 4: Ilustração da atração de íons para a sond a do sensor de umidade.


A segunda etapa consiste na calibração dos sensores para leituras

fidedignas das variáveis medidas e seu respectivo tratamento em software. A

calibração dos sensores seguirá em conjunto com a catalogação das necessidades

das plantas escolhidas, obtidas de literatura específica na área da agricultura. Para

este trabalho, três plantas distintas foram catalogadas em caráter de teste, são elas:

Alface-crespa (Lactuca sativa var. crispa), manjericão miúdo (Ocimum basilicum) e

menta (Mentha spicata).

29

A terceira e última etapa consiste na devida aplicação dos protocolos de

comunicação escolhidos, bem como o desenvolvimento de uma interface gráfica

básica para disponibilizar os dados obtidos. Este projeto pretende relacionar as

vantagens e desvantagens da utilização da solução desenvolvida, em comparação

aos métodos tradicionais de cultivo urbano.

7 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

7.1 AGRICULTURA URBANA

Sendo o foco principal deste estudo o desenvolvimento de ferramentas de

cunho tecnológico para suporte à agricultura urbana, é necessário compreender a

problemática na qual a agricultura urbana se define e a sua relação com o

desenvolvimento sustentável. Em termos práticos, a agricultura urbana se

desenvolve com o intuito de resolver alguns dos desafios do desenvolvimento

humano. Segundo Mougeot (2005) o desenvolvimento da prática da agricultura

urbana engloba inúmeros fatores, e é estimulada por questões como a pobreza

urbana e a insegurança alimentar. Por exemplo, em Teresina capital do estado

Piauí, com o agravamento do êxodo rural, hortas comunitárias foram criadas pela

Prefeitura Municipal na tentativa de reverter os efeitos negativos produzidos pelas

altas taxas de crescimento populacional, tendo como objetivo gerar trabalho, renda e

melhorar o padrão alimentar das famílias carentes da periferia (MONTEIRO,

MONTEIRO, 2006).

A agricultura urbana, segundo Filho (2007), consiste em cultivo de plantas

realizados em pequenas áreas dentro da cidade, ou no seu entorno, destinada à

produção de alimentos para consumo próprio ou para venda em pequena escala.

A agricultura, em âmbito geral, além das associações tradicionais de

produção de alimentos e processos ecológicos, segundo Adriana Aquino (2007)

“também envolve processos sociais, sendo a agricultura o resultado da co-evolução

de sistemas naturais e sociais”. Para compreender a relação entre o

30

desenvolvimento humano sustentável e a prática da agricultura urbana, faz-se

necessário algumas definições sobre sustentabilidade. De acordo com Pinto et al

(2011), o desenvolvimento humano sustentável precisa garantir a “preservação da

biodiversidade, da saúde humana e qualidade do ar, da água e do solo, a níveis

suficientes para manter a vida humana e o bem-estar das sociedades para sempre”.

Os métodos de produção agrícola amplamente utilizados nos dias atuais,

para atender a alta demanda do crescimento populacional, fazem o uso de

fertilizantes sintéticos, reguladores de crescimento, pesticidas e aditivos para

alimentação animal, associando está prática a lógica da organização dos sistemas

de produção industrial; a agricultura urbana orgânica idealmente sustenta-se nos

princípios da agroecologia, e possibilita obter bons níveis de produtividade evitando

todo tipo contaminação química do agricultor urbano e dos consumidores, bem como

do meio ambiente (AQUINO, 2007).

No âmbito social, com o surgimento das metrópoles, uma grande parte da

responsabilidade comunitária como a coleta e/ou destino do lixo foi transferida ao

poder público, ou mesmo a grandes empresas. A agricultura urbana nas cidades, no

plano comunitário, é uma boa ferramenta para a autogestão dos recursos e resíduos

orgânicos, com impacto positivo na sanitização pública, uma vez que materiais como

embalagens, pneus e entulhos são utilizados para a contenção de pequenas

encostas e canteiros e, resíduos orgânicos domiciliares são aproveitados na

produção de composto utilizado como adubo (AQUINO, 2007).

A Agricultura urbana pode ser praticada de maneira individual ou coletiva.

Coutinho (2010) destaca que a agricultura urbana pode ser praticada em qualquer

lugar, como quintais, lajes, terraços, escolas e terrenos baldios; o interesse pelos

praticantes variam desde o acesso à alimentos, possibilidade de diversificar o uso de

espaços urbanos, alternativa para o combate à fome e à pobreza, segurança

alimentar, e, quando praticada em espaços públicos, atua diretamente na destinação

social de terra urbana, contribuindo também para criar um espaço para discussões

relacionadas ao desenvolvimento urbano, dentre outros temas.

As dificuldades encontradas por aqueles que praticam a agricultura urbana,

ou para aqueles que tem a intenção de praticar, seja para consumo próprio ou para

a comercialização, são inúmeras, como por exemplo: solo contaminado, combate a

pragas e doenças, disponibilidade de água, e ausência de políticas públicas, são

alguns dos problemas recorrentes entre a comunidade. A presença de resíduos

31

nocivos à saúde como mercúrio, chumbo, cádmio e outros em decorrência da função

para o qual o solo foi utilizado no passado, disponibilidade de água sem

contaminação à um preço acessível, identificação e tratamento das pragas e

doenças de maneira orgânica para não expor a risco os agricultores e os

consumidores da produção, e o pouco desenvolvimento das políticas públicas

relacionadas às práticas da agricultura urbana no Brasil (DUQUE JÚNIOR, 2014).

7.2 OS SENSORES

O monitoramento de temperatura, luminosidade e umidade do solo é de

extrema importância no cultivo de vegetais. A temperatura ambiente, por exemplo,

influencia diretamente em fatores como incidência pragas e doenças, estimativas de

safras (ARAÚJO et al., 2014), evapotranspiração da cultura, etc. (GOMES et al.,

2014). Nesse contexto, o uso de tecnologias computacionais permite que se possa

fazer o gerenciamento dos dados colhidos pelos sensores, permitindo que essas

informações possam ser utilizadas como uma base para a tomada de decisões e

planejamento de cultivo.

7.2.1 Sensores de temperatura e luminosidade

A importância da luminosidade no desenvolvimento inicial de plantas pode

ser constatada em Mazzei et al. (1998), Nardoto et al. (1998), e Salgado et al. (1998)

que estudaram o efeito desse fator sobre espécies nativas de vários grupos

ecológicos.

A taxa de crescimento e desenvolvimento da planta também é dependente

da temperatura ambiente, como podemos ver ao analisar o gráfico 3, e cada espécie

tem uma faixa de temperatura específica representada por valores mínimos,

máximos e ótimos. Esses valores foram resumidos por Backlund (2009) para várias

espécies diferentes de plantas.

32

Gráfico 3: Resposta de crescimento do brócolis e mi lho em diferentes temperaturas na fase

vegetativa. Fonte: Adaptado de Backlund (2009)

O Light Dependent Resistor, ou simplesmente, resistor dependente de luz,

possui a característica de ser um componente cuja resistência elétrica diminui

quando sobre ele incide energia luminosa. A resistência do LDR varia de forma

inversamente proporcional à quantidade de luz incidente sobre ele, isto é, enquanto

o feixe de luz estiver incidindo, o LDR oferece uma resistência muito baixa. Quando

este feixe é cortado, sua resistência aumenta, como podemos ver no gráfico 4.

Gráfico 4: Resistência versus luminosidade.

Fonte: Adaptado de Sunrom Technologies (2008)

O LDR é sensível apenas a luz visível, com comprimento de onda de 400 nm

a 800 nm, e dependendo do semicondutor que o sensor é fabricado, ele pode ser

sensível a ondas de até 900nm.

33

Gráfico 5: Resposta espectral do resistor dependent e de luz.

Fonte: Adaptado de TOKEN (2017).

Normalmente esse sensor é composto de um material semicondutor, o

sulfeto de cádmio, CdS, ou o sulfeto de chumbo. O processo de construção de um

LDR consiste na conexão do material fotossensível com os terminais, sendo que

uma fina camada é exposta à incidência luminosa externa.

Também chamado de célula fotocondutiva, ou ainda de foto-resistência, o

LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência varia

linearmente com a intensidade de luz incidente, obedecendo à equação 1:

. . (1)

Onde L é a luminosidade em lux, C e A são constantes dependentes do

processo de fabricação e material utilizado. Como já mencionado anteriormente o

LDR tem sua resistência reduzida ao ser iluminado. A energia luminosa desloca

elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo),

aumentando o número destes, diminuindo a resistência. Conforme aumenta a

quantidade de luz incidente no LDR, um número maior de elétrons na estrutura tem

também seu nível de energia aumentado, devido à aquisição de energia entregue

pelos fótons. O resultado é o aumento de elétrons livres e elétrons fracamente

presos ao núcleo. A figura 5 ilustra um sensor do tipo LDR.

34

Figura 5: Sensor LDR - (a) simbologia e (b) constit uição.

Fonte: Adaptado de TOKEN (2017)

7.2.2 Sensor de umidade

A água nas proporções adequadas é imprescindível no cultivo de qualquer

planta, e o seu manejo racional é decisivo tanto para o desenvolvimento sustentável,

quanto para a saúde das plantas, evitando a falta ou excesso (PIMENTEL, 2004).

Desta maneira, o conhecimento da distribuição do teor de água (umidade) no solo

torna-se necessário, uma vez que está intimamente ligado às propriedades do

sistema solo-água-planta, onde o domínio desse conhecimento é, certamente, um

dos fatores indispensáveis para uma agricultura sustentável.

A umidade do solo possui elevado grau de variabilidade no espaço e no

tempo, controlada por fatores como tempo, textura do solo, vegetação e topografia

(SANTOS et al., 2011).

Diversos são os métodos para a determinação da umidade do solo, como

reflectometria no domínio do tempo (TDR). A TDR tem sido amplamente usada nas

últimas décadas (SOUZA, 2002), visando o monitoramento da umidade superficial

do solo, permitindo descrição detalhada desta variável, ao longo do tempo. As

medidas de TDR e do conteúdo de água no solo são baseadas na forte correlação

observada entre a constante dielétrica do solo e seu conteúdo volumétrico de água

(GRECO; GUIDA, 2008).

A TDR se baseia no efeito da quantidade de água sobre a velocidade de

propagação de microondas em sondas; esse efeito acontece devido à diferença

entre as constantes dielétricas da água, do ar, e dos materiais sólidos contidos no

35

solo. Com a determinação de uma constante dielétrica K resultante da combinação

desses três materiais, pode-se estimar a quantidade de água contida no solo

(CONCIANI et al., 1996).

No entanto, o uso do TDR tem sido limitado pelo custo, tanto do testador de

cabo como da sonda, na qual existe ainda a limitação de uso em apenas uma

profundidade, pois em geral as sondas são constituídas de hastes contínuas de aço

inoxidável. Também, sua utilização não está difundida entre os usuários da técnica,

devido à carência de informações descrevendo suas potencialidades e limitações,

principalmente sobre a qualidade e a precisão de leituras versus configuração de

sondas (PEREIRA et al., 2006).

Outro método utilizado para a medição da umidade do solo é a sonda de

nêutrons. As utilidades e limitações das sondas de nêutrons foram bem

documentadas por Gardner (1986). Estas possibilitam medidas não destrutivas com

perturbações mínimas, porém a radioatividade exige precauções quanto à

segurança e limita a utilização contínua. O uso da sonda de nêutrons exige um

treinamento especial para seu manuseio, principalmente pela presença de fontes

radioativas.

Cada método de medição de umidade do solo tem suas vantagens e

desvantagens e, segundo Gilberto (2003), algumas características desejáveis para o

sensor são: evitar a amostragem destrutiva, permitir repetibilidade, fácil calibração,

custo acessível, segurança do operador, entre outras.

7.3 SISTEMAS EMBARCADOS

Os sistemas embarcados estão presentes em inúmeras funções e atividades

do cotidiano humano. Com redução constante em custos operacionais e de material,

a tendência é o aumento da sua presença no cotidiano das pessoas (CARRO;

WAGNER, 2003). Segundo Jeferson Bosa (2009) um sistema embarcado

“normalmente, é formado por microprocessador, memória e periféricos para executar

determinada aplicação”.

36

Exemplos da presença de sistemas embarcados no cotidiano vão de

eletrodomésticos, como um forno elétrico com controle de temperatura inteligente,

até o sistema de controle de injeção eletrônica de automóveis (CARRO; WAGNER,

2003).

Um sistema embarcado é sempre composto pela combinação entre

hardware e software com características específicas para o desempenho na solução

proposta (BOSA, 2009). Do ponto de vista do hardware, um sistema embarcado

possui alguns componentes básicos (CARRO; WAGNER, 2003):

Microprocessador: Unidade de processamento, projetada para um ou mais

usos específicos.

Memórias: Unidades de armazenamento de software.

Barramento de comunicação: Responsável pela comunicação através de

sinais entre os componentes que compõem o sistema.

Periféricos: Componentes externos que integram o sistema e desempenham

funções específicas, por exemplo, conversor digital analógico, interfaces de

comunicação, acionamentos de potência, etc.

Por outro lado, o software é gravado e armazenado no componente de

memória do sistema. O software é compilado e está intrinsecamente ligado à

arquitetura do microprocessador utilizado (CARRO; WAGNER, 2003):

Jeferson Bosa (2009) enuncia algumas características do software para

sistemas embarcados, e que o diferencia dos softwares tradicionais:

Baixa capacidade de armazenamento das memórias disponíveis.

Desempenho limitado quando comparado a processadores tradicionais.

Menor consumo de potência do que os processadores tradicionais.

7.4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO

7.4.1 Modelo OSI

O modelo OSI (Open System Interconnection) é um modelo de rede de

computador referência da ISO dividido em camadas de funções, criado em 1971 e

37

formalizado em 1983, com objetivo de ser um padrão, para protocolos de

comunicação entre os mais diversos sistemas em uma rede local (Ethernet),

garantindo a comunicação entre dois sistemas computacionais (end-to-end)

(ZIMMERMANN, 1980).

Este modelo divide as redes de computadores em 7 camadas, de forma a se

obter camadas de abstração. Cada protocolo implementa uma funcionalidade

assinalada a uma determinada camada, onde cada camada é responsável por um

grupo de tarefas, fornecendo um conjunto de serviços bem definidos para o

protocolo da camada superior. As camadas mais altas, estão mais perto do usuário

(como a camada de aplicação) e lidam com dados mais abstratos, confiando em

protocolos de camadas mais baixas para tarefas de menor nível de abstração.

O Modelo OSI não é uma arquitetura de rede, pois não especifica os

serviços e protocolos exatos que devem ser usados em cada camada. Ele apenas

informa o que cada camada deve fazer. O Modelo OSI permite comunicação entre

máquinas heterogêneas e define diretivas genéricas para a construção de redes de

computadores (seja de curta, média ou longa distância) independente da tecnologia

utilizada. (TANENBAUM, 2003)

7.4.2 TCP/IP

De acordo com Tanenbaum (2003), o chamado de pilha de protocolos TCP/IP

é um modelo composto por apenas uma parte das camadas propostas no modelo

OSI, possuindo apenas quatro camadas, são elas:

Camada Física;

Camada de Rede;

Camada de Transporte;

Camada de Aplicação;

A camada física, pode ser chamada também de camada de interface de rede

ou camada de abstração de hardware é a primeira camada. Tem como função

principal fazer o interfaceamento do modelo TCP/IP com os diversos tipos de redes

(X.25, ATM, FDDI, Ethernet, Token Ring, Frame Relay, sistema de conexão ponto-a-

ponto SLIP, etc.) e transmitir os datagramas pelo meio físico, sinais físicos, tem a

38

função de encontrar o caminho mais curto e confiável de uma máquina para outra

(TANENBAUM, 2003). Como há uma grande variedade de tecnologias de rede, que

utilizam diferentes velocidades, protocolos, meios de transmissão, etc., esta camada

não é normatizada pelo modelo, o que provê uma das grandes virtudes do modelo

TCP/IP: a possibilidade de interconexão e interoperação de redes

heterogêneas(TANENBAUM, 2003).

A camada de Rede é responsável por controlar a operação da rede de um

modo geral. Suas principais funções são o roteamento dos pacotes entre fonte e

destino, mesmo que estes tenham que passar por diversos nós intermediários

durante o percurso, o controle de congestionamento e a contabilização do número

de pacotes ou bytes utilizados pelo usuário(TANENBAUM, 2003). Esta camada

também realiza roteamento de funções, também pode realizar a fragmentação e

remontagem e os erros de entrega de relatório. Roteadores operam nesta camada,

enviando dados em toda a rede estendida e tornando a Internet possível

(FOROUZAN, 2010).

Na camada de transporte, os protocolos contidos buscam resolver

problemas como confiabilidade e integridade. Na suíte de protocolos TCP/IP os

protocolos de transporte também determinam para qual aplicação um dado qualquer

é destinado. O TCP, um dos protocolos mais utilizados na Internet, é um mecanismo

de transporte confiável, orientado à conexão e que fornece um stream de bytes

confiável, garantindo assim que os dados cheguem íntegros, não danificados e em

ordem (FOROUZAN, 2010). O TCP tenta continuamente medir o quão carregada a

rede está e desacelera sua taxa de envio para evitar sobrecarga. Além disso, o TCP

tentará entregar todos os dados corretamente na sequência especificada. Essas são

as principais diferenças dele para com o UDP, e pode se tornar desvantajoso em

streaming, em tempo real ou aplicações de routing com altas taxas de perda na

camada internet.

A camada de aplicação é a camada que a maioria dos programas de rede

usa de forma a se comunicar através de uma rede com outros programas.

Processos que rodam nessa camada são específicos de uma aplicação, o dado é

passado do programa de rede, no formato usado internamente por essa aplicação, e

é codificado dentro do padrão de um protocolo(TANENBAUM, 2003). Uma vez que o

dado de uma aplicação foi codificado dentro de um padrão de um protocolo da

camada de aplicação ele será passado para a próxima camada da pilha. Entre os

39

protocolos mais utilizados nesta camada temos o HTTP (navegação na World Wide

Web), FTP (transporte de arquivos), SMTP (envio de e-mail), SSH (login

remoto)(FOROUZAN, 2010).

7.4.3 MQTT

Segundo Ismael Martins (2016) o “MQTT foi criado em meados de 1999 por

Andy Stanford-Clark (IBM) e Arlen Nipper (Eurotech). Trata-se de um protocolo de

mensagens baseado na arquitetura publish/subscribe, voltado para dispositivos

restritos e redes inseguras, com baixa largura de banda e alta latência” e “os

princípios do design são minimizar os requerimentos de recursos de dispositivo e de

largura de banda tentando garantir confiabilidade e garantia de entrega” (MARTINS,

2016).

MQTT é um protocolo de camada de aplicação que por possuir confiabilidade

e baixo consumo como requisitos de sua implementação, o faz um grande candidato

a ser aplicado em redes de internet das coisas. Uma das grandes vantagens do

MQTT é a eficiência energética do modelo “publish/subscribe” para troca de

mensagens, que também escala muito bem (MARTINS, 2016).

A arquitetura do protocolo segue o modelo cliente/servidor, onde cada sensor

é um cliente que se conecta a um servidor, conhecido como broker. Por ser

orientado a mensagens cada mensagem é um pacote discreto de dados, opaco ao

broker. Toda mensagem é publicada em um endereço, chamado tópico. Cliente

podem se subscrever em vários tópicos. Cada cliente subscrito a um tópico recebe

todas mensagens publicadas neste tópico (JAFFEY, 2014).

7.5 FABRICAÇÃO DIGITAL

A fabricação digital, apontada pelo movimento MAKER como a nova

revolução industrial (NASSIF, 2016), é dada através de confecção de componentes

através de modelos 3D digitais.

40

Segundo Gibson, Rosen e Stucker(2014) o desenvolvimento de um modelo

3D é dado através de um software CAD (Desenho Auxiliado por Computador),

equipamentos especiais como scaners 3D também podem ser utilizados. Para

Narayan, Rao e Sarcar(2008) os softwares CAD têm auxiliado a engenharia,

permitindo criar modelamentos matemáticos em 3D simulando suas formas e

montagens ainda na fase de desenvolvimento, permitindo aprovações de design

com facilidade, evitando desperdícios de tempo e recursos com fabricação. Segundo

NITSCHE(2002) o que torna a ferramenta CAD tão atrativa e eficiente é o fato de

permitir comunicação com diversos tipos de software como Gerenciamento de

Dados do Projeto, Project Data Management (PDM) e Gerenciamento de Vida do

Produto, Product Lifecycle Management (PLM),para aprovação em tempo real e

acompanhamento do processo de desenvolvimento do produto, Engenharia

Auxiliada por Computador,Compute Aided Engineering (CAE), para simulações de

seus comportamento e Manufatura Auxiliada por Computador, Computer Aided

Manufacturing (CAM), para interagir com o processo de fabricação, o que configura

Fabricação Digital.

Os processos de fabricação que se utilizam de softwares CAM para produzir

peças a partir de um modelo digital são divididos em 2 grupos sendo remoção de

material e adição de material (CANCIGLIERIJUNIOR, O., SELHORST JUNIOR, A. e

SANT'ANNA, 2015).

Entre os processos que trabalham com remoção de material, os mais comuns

são os de Corte CNC (Comando Numérico Computadorizado) e Usinagem CNC

(ALTINTAS, 2012). Dentre os processos de corte se resumem à fabricação em 2D e

os processos usuais são Corte a jato d'água, Oxicorte e Corte à Laser. Por outro

lado, na usinagem CNC consegue-se modelos em 3D com alto grau de refinamento

e detalhes, dependendo do refinamento e da quantidade de eixos adicionais

existentes nos equipamentos, onde pode ser centro de fresamento CNC com 3,4,5

ou mais eixos e centro de torneamentos CNC com ferramentas acionadas ou não

(VOLPATO, 2014).

No outro lado, existem os processos de adição de material que consiste em

"depositar material em camadas, cada camada sendo uma fina secção de uma peça

derivada de um modelo CAD" (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2014), os processos

mais comuns são modelamento por deposição de material, ou Fused Deposition

Modeling(FDM) no inglês, e o mais refinado estereolitografia. No FDM o material é

41

fundido através de uma resistência elétrica e é depositado em uma mesa móvel

controlada por um comando numérico XYZ através de um software CAM, que cria

os modelos camada à camada já na forma desejada (CLIEVER, 2017). Na

estereolitografia, um fotopolímero é modelado através de um laser ultravioleta,

conferindo um melhor acabamento ao componente fabricado (3D Systems).

A primeira impressora 3D teve origem na Califórnia, grande polo de

desenvolvimento tecnológico, pelas mãos de Chuck Hull em 1984 (LIPSON;

KURMAN, 2013). Desde então a impressão 3D tem ganhado espaço em todo o

mundo pela facilidade de desenvolver soluções práticas desde problemas simples a

complexos encontrados no dia a dia, devido ao seu conceito de confecção livre. Em

sua maioria, seu funcionamento é através de um sistema CNC de coordenadas XYZ

onde é acoplado um sistema de fusão de filamentos de polímero (geralmente PLA

ou ABS) que vai depositando a matéria prima fundida em camadas para formar o

objeto desejado. Devido a sua simplicidade a solução vem sendo barateada em

razão de diversas soluções simples e um menor refinamento dos equipamentos,

mas não diminuindo sua precisão (NETO, 2016).

7.5.1 Modelagem em software CAD

Modelo criado em software CAD, visando atender todos os requisitos de

funcionamento e design para atender sua função e trabalhar da melhor forma com o

sistema como exemplificado na figura 6.

42

Figura 6: Modelo tampa de bomba de óleo em software CAD.


7.5.2 Software CAM

O modelo é então exportado em formato Linguagem de Teselagem

Estereolitográfico, ou Stereolithographic Tesselation Language(STL), que é

composto por triângulos, e é vastamente utilizado em análise de elementos finitos e

impressões 3D por dividir a peça em vários triângulos menores, que então é

interpretado pelo software CAM que prepara o modelo para a fabricação dividindo-o

em camadas (RODRIGUES, 2010).

43

Figura 7:Modelo com linhas de impressão gerados por software CAM.


Então o Software CAM, após gerar a estratégia de impressão, envia e

coordena o processo para a impressora, que derrete o filamento do material

escolhido e imprime o modelo camada à camada.

Figura 8: Funcionamento básico de uma impressora 3D FDM.

Fonte: Adaptado de CAMPBELL et al ., 2011

44

Figura 9: Produto final impresso.


8 METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO

8.1 ÁREA DE CULTIVO PARA TESTES

Para testar a solução proposta neste trabalho, foi projetada e montada uma área de

cultivo em âmbito urbano. Está área foi criada para simular o ambiente de uma horta

comunitária, portanto, foi construída horizontalmente. Para criar um ambiente

adequado para os testes, a área de cultivo foi criada respeitando algumas

características, são elas:

O cultivo deve ser orgânico, seguindo lei nº 10.831 de 23 de dezembro de

2003, porém sem a necessidade de certificação por auditoria fiscal.

O sistema de irrigação deve ser por gotejamento, visando o maior

aproveitamento dos recursos hídricos disponíveis.

A área de cultivo deve ser fechada com tela de metal, para proteção do cultivo

contra aves e outros animais.

A área de cultivo deve receber uma tela com malha fina na parte superior,

para evitar a compactação do solo pela chuva.

45

O solo destinado ao cultivo deve estar isento de agentes contaminantes, e só

poderá receber em sua vida útil biofertilizantes naturais que não oferecem

perigos aos agricultores ou aos consumidores da produção.

Os produtos oriundos do cultivo não deverão ser comercializados, porém

poderão ser doados.

Primordialmente, cultivo de hortaliças folhosas de ciclo curto (alface, rúcula,

almeirão, espinafre, etc.)

Figura 10:Área de cultivo para testes, em construçã o.


A área de cultivo foi construída com blocos de cimento, madeira de pinus para

a armação e sustentação dos blocos e telas de plástico e aço, conforme evidênciado

na figura 10, 11 e 13. Vale salientar que não foi utilizado nenhum tipo de selante, ou

adesivo entre os blocos de cimento. Eles foram apenas posicionados no seu devido

lugar, e posteriormente, travados com uma ripa de pinus.

46

Figura 11: Dimensões da área de cultivo


A composição do solo utilizada, e a disposição dos componentes de

drenagem foram elaboradas conforme apresentado na figura 12. Para a drenagem

do solo, foi utilizado brita Nº0. Para a retenção dos nutrientes e das partículas do

solo, foi adicionado uma manta vegetal bidim sobre a pedra, antes do solo ser

depositado.

Figura 12: Disposição dos componentes de drenagem d a área de cultivo.


Como o cultivo é essencialmente orgânico, através de contato com os

agricultores locais elaboramos a seguinte mistura para compor o solo:

47

Terra vegetal, 70%.

Húmus de minhoca, 15%.

Esterco de aves curtido, 5%.

Areia de construção lavada, 10%.

O húmus de minhoca e a terra vegetal fornecem toda a matéria orgânica

básica para o desenvolvimento das plantas. O esterco de aves curtido foi

selecionado devido à alta carga de nitrogênio que ele é capaz de fornecer para o

solo. O nitrogênio é amplamente absorvido pelas plantas no processo vegetativo,

que é o processo onde as plantas desenvolvem o caule e as folhas. Como o cultivo é

primordialmente para hortaliças folhosas de ciclo curto, a carga extra de nitrogênio

no solo proporciona a máxima eficiência para este tipo de cultivo.

A areia de construção lavada foi adotada para realizar duas funções: Melhorar

a drenagem do solo e evitar a compactação. A compactação é um problema que

atrapalha o desenvolvimento das raízes das plantas, bem como a oxigenação do

solo.

Figura 13: Área de cultivo finalizada.


Para o sistema de irrigação, foi escolhido o método de gotejamento.A

irrigação superficial por gotejamento oferece oportunidade para o uso racional dos

recursos hídricos, assegura a produtividade, maior rendimento e a possibilidade da

aplicação de biofertilizantes, como o chorume oriundo de composteiras,

simultaneamente ao processo de irrigação (NOGUEIRA; COELHO; LEÃO, 2000).

48

As mangueiras de gotejamento escolhidas, mostradas nas figuras 14 e 15

possuem diâmetro de 12,7 milímetros e furos que permitem o fornecimento de água

para as plantas. Foram escolhidas duas mangueiras para esta área de cultivo, a

primeira com um espaçamento longitudinal de 200 mm entre os furos, e a segundo

com espaçamento de 100mm. Ao todo, foram três linhas de irrigação longitudinal à

área de cultivo, sendo que duas linhas com mangueiras de espaçamento 100 mm, e

uma com espaçamento de 200 mm.

Figura 14: Irrigação por mangueiras de gotejamento.


Figura 15: Mangueira de irrigação por gotejamento c om espaçamento de 100 mm.


49

8.2 PROJETO MECÂNICO

Para o projeto mecânico, foram levantados todas as necessidades e

particularidades do sistema, e a partir dessas especificações foi desenvolvido o

projeto mecânico em Software CAD SolidWorks® conforme ilustrado na figura 16.

Figura 16: Conjunto Modelado em Software CAD SolidW orks ®. Fonte: Autoria própria (2017).

Após o modelamento, devido às funções, características e processos fabris,

o sistema foi dividido em duas partes principais, corpo principal e condutores.

50

8.2.1 Corpo principal

O corpo principal tem a função de receber todos os componentes eletrônicos

do sistema e proteger os componentes eletrônicos das condições climáticas como a

umidade e outros agentes externos que possam comprometer seu funcionamento

e/ou durabilidade, para tal ele precisa conter os suportes, acoplamentos

necessários, ser impermeável, e resistente a intempéries.

Para a confecção do corpo principal, foram estudadas duas técnicas de

manufaturas diferentes: a injeção plástica e a impressão 3D. Para a injeção temos

fatores prós e contras.

Fatores favoráveis a injeção plástica:

Alta produtividade.

Baixo custo por unidade.

Fácil estanqueidade das peças.

Fatores desfavoráveis à injeção plástica:

Alto investimento inicial;

Pouco receptível a alterações de projeto.

Custo de manutenção.

Já a fabricação digital por manufatura aditiva, por exemplo impressão 3D, apresenta

os seguintes fatores favoráveis:

Baixo investimento inicial;

Totalmente receptível a alterações de projeto;

Baixo custo de manutenção.

Projeto pode ser compartilhado em formato digital, possibilitando usuários a

fabricação in loco.

E os seguintes fatores desfavoráveis:

Custo por unidade alto.

Produtividade baixa.

Dificuldade para deixar estanque.

Devido ao projeto se encontrar em estado de desenvolvimento, e o problema da

estanqueidade ser contornável com processos de fabricação e de projeto, a solução

adotada foi a impressora 3D mostrada na figura 17.

51

Figura 17: Impressora 3D utilizada para fabricação, modelo Graber i3 modificada.


Uma vez adotado o processo de fabricação por manufatura aditiva, foram

encontradas algumas particularidades que afetariam diretamente no resultado

esperado. Para fabricar a rosca que garante o fechamento do conjunto, devido à

precisão, atrito e deformação do material durante a fabricação, se tornou inviável

utilizar o padrão métrico da rosca conforme a norma NBR ISO 724, sendo assim foi

criado uma rosca específica para atender os pré-requisitos do projeto e permitir a

fabricação por manufatura aditiva.

Para atingir os pré-requisitos de estanqueidade, outras particularidades de

projeto foram observadas. Para atingir uma malha satisfatória, e um padrão de

impressão aceitável que pudesse garantir a vedação, os modelos foram fabricados

com as suas bases apoiadas diretamente na mesa da impressora 3D, afim de evitar

a necessidade de criar suportes de impressão, o que afeta diretamente a qualidade

da malha impressa.

52

Figura 18: Modelo matemático da tampa já posicionad o na posição ideal de impressão .


Para garantir a vedação entre a tampa e o corpo, foi utilizado um anel O’ring

de diâmetro interno de 90mm, diâmetro de secção de 2,5mm, confeccionado em

plástico fluorcarbono, conhecido por sua resistência a condições extremas. Para a

sua aplicação, foi projetado um alojamento para o O’ring no corpo e na tampa, que,

ao montá-lo em sua condição final, sofra uma deformação de 10% a fim de garantir a

vedação solicitada.

Figura 19: Representação do conjunto montado. Tampa , corpo e O’ring.


Para a validação do método, o equipamento foi testado em campo, ficando

suscetível às variações climáticas e adversidades do clima, como chuva, vento etc. e

onde o equipamento continuava a funcionar sem alguma avaria e não houveram

detecção de infiltração ou umidade excessiva.

53

8.2.2 Condutores do sensor de umidade

Os condutores do sensor de umidade foram confeccionados em liga de aço

Inox AISI 304. A liga garante que o condutor não vai oxidar prematuramente, sendo

ideal para estar em contato com o solo e umidade. O condutor possui uma rosca

especial M8X1,00 na parte superior, realizada em torno convencional, para sua

fixação no corpo do dispositivo e é conectado via emenda fabricada na impressora

3D.

Figura 20: Modelo matemático Condutor do Sensor de umidade/ condutor do sensor de

umidade fabricado.


54

8.3 PROJETO ELETRÔNICO

O projeto dos circuitos eletrônicos foi desenvolvido com o auxílio do software

aberto KICAD, e consiste em um sistema embarcado puro, contendo adequação da

tensão de alimentação através de topologia buck para os circuitos digitais e

regulador linear para os circuitos analógicos, filtros RC para estabilização de sinais,

microcontrolador modelo esp8266 e conversor analógico digital em rede I²C

topologia mestre-escravo. Foram utilizados neste projeto o microcontrolador com

módulo wi-fi ESP8266-ESP07 da espressif, e o conversor analógico digital ADS1115

fabricado pela Texas Instruments®.

8.3.1 Esquema eletrônico

Para ser possível fazer uma placa de circuito impresso compacta, que

coubesse no encapsulamento mecânico desejado, devido aos meios de fabricação

disponíveis, foi necessário dividir o projeto eletrônico em duas placas, a

“powerboard”, e “core board”.

8.3.2 Power board

Essa placa contém os circuitos de adequação de tensão para os circuitos.

Pela necessidade de uma tensão de 12 volts para a válvula solenoide, pois não foi

encontrado uma válvula solenoide comercial que poderia ser alimentada em 3,3 volts

como o resto do circuito, foi necessário ter uma fonte externa que converte a tensão

da rede em 12 volts, e depois abaixar essa tensão para 3,3 volts para o resto dos

circuitos digitais.

Após alguns testes, percebe-se que a corrente necessária para os circuitos

alimentados em 3,3 volts era em torno de 700 mA, e se utilizássemos apenas o

regulador linear LM317 para baixar a tensão de 12 V para 3,3V, seria uma potência

55

dissipada muito grande, levando a um superaquecimento do circuito que deve estar

preparado para ficar em temperaturas elevadas por ter exposição direta aos raios

solares. Por essa razão, a placa powerboard tem dois tratamentos de tensão. Um

com o regulador linear LM317, onde este alimenta os sensores; e outro com o

regulador de tensão LM2596, que fornece energia para os circuitos digitais. Na figura

21, pode ser visto o esquemático do regulador linear LM317, que foi dimensionado

para fornecer até 1 ampere de corrente, 3,3 V, e pode ser ligado ou desligado

através dos transistores Q1 e Q2, controlados pela GPIO 12 do microcontrolador.

Figura 21: Alimentação dos circuitos analógicos.


Na figura 22, é apresentado o esquemático do regulador de tensão LM2596, que é

um conversor DC-DC do tipo Step-Down com ótima eficiência. Foi projetado

seguindo as instruções do seu manual fornecido pelo seu fabricante, a Texas

Instruments(2016, p. 15), para fornecer 3,3 V e corrente máxima de 1 ampere, para

fornecer energia para os circuitos digitais.

56

Figura 22: Alimentação dos circuitos analógicos.


O restante do esquemático se trata de conectores, e o acionamento da

válvula solenoide, que é controlada pela GPIO 13 do microcontrolador. Como é

mostrado na figura 23.

Figura 23: Alimentação dos circuitos digitais


57

8.3.3 Core Board

A placa principal, que contém o microcontrolador, foi nomeada de Core

Board, ela contém as ligações necessárias para manter o ESP8266 ESP-07

funcionando como o desejado. As GPIOs5 e 4 são usadas para a comunicação I²C

entre o microcontrolador e o conversor analógico digital, ADS1115, da Texas

Instruments(2017). Os pinos 1 e 2 são TX e RX, respectivamente, para comunicação

com um chip externo, o FT232RL, um conversor USB-TTL para gravação do

firmware. O restante são ligações básicas, recomendadas pelo fabricante, para o

bom funcionamento do microcontrolador, conforme a figura 24.

Figura 24: Esquemático parcial da placa Core board.


O ADS1115, figura 25, foi utilizado em um módulo pronto para seu uso, com

fornecimento de energia externa, e a comunicação via I²C com o microcontrolador. O

módulo utilizado foi feito pela ADAFRUIT, e tem seu projeto disponível para

download.

58

Figura 25: Módulo ADS1115.

Fonte: Disponível em <https://www.adafruit.com/prod uct/1085>

Terminado o projeto, foi feita a confecção do protótipo para testes. As trilhas

das placas foram obtidas através de um processo artesanal com tinta fotossensível,

e então corroída com percloreto de ferro. Ao final do processo, foram obtidas as

placas mostradas na figura 26.

Figura 26: Placas do protótipo finalizadas.


Mesmo tendo sidas construídas artesanalmente, as placas atenderam o

propósito e apresentaram resultados satisfatórios, sendo possível fazer os testes

para calibração do sensor de umidade, e aquisição de dados dos outros sensores.

O formato hexagonal das placas se deve ao propósito de fazer um protótipo

de tamanho reduzido, e com o encapsulamento de formato cilíndrico. Pelo processo

de aplicação dos fotolitos terem sidos feitos de forma manual e a corrosão das trilhas

59

não ser muito preciso, foi usado o espaçamento mínimo entre as trilhas de 0,8 mm,

ocasionando também na necessidade de dividir um projeto em duas placas.

As placas foram alocadas no encapsulamento mecânico depois de

encaixadas, conforme a figura 27.

Figura 27: Placas encaixadas prontas para serem enc apsuladas.


8.3.4 Testes de viabilidade da utilização do sensor de umidade

Os testes para determinar a eficácia do sensor de umidade do solo usado

neste trabalho, exigiu a construção de algumas baterias de corpos de prova com

umidade de solo conhecidas. Para isso, utilizamos o conceito de umidade

gravimétrica, que é definida pela equação 2:

é%

á

(2)

Definiu-se medidas de umidade gravimétrica do solo as grandezas de 5%,

10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% e 90%. Com os pontos de interesse

definidos, partiu-se para a preparação dos corpos de testes, que foram

confeccionados com tubos de PVC de mesmo diâmetro e comprimento, conforme a

figura 28. Com os corpos de prova prontos, iniciou-se a preparação terra. Os testes

60

foram realizados com apenas um tipo de solo, que é um solo ideal para o plantio de

hortaliças (com alta porcentagem de matéria orgânica), também para a padronização

dos testes; e a partir disso, retiramos a umidade da terra com um procedimento que

consistiu em levar a terra a um forno à 70ºC por 8 horas a fim de obtermos a

desidratação da terra (resistência maior que 20MΩ), sem retirar propriedades dela.

Então foi adicionado a cada corpo de prova 250g de terra e então adicionado a

quantidade necessária de água para atingir as faixas solicitadas, misturando o

produto e aguardando até que o substrato entrasse em homogeneidade.

Figura 28: Testes para sensor de umidade em corpos de prova padrão.

Fonte: Autoria Própria (2017).

Os testes foram realizados com dois sensores, inicialmente para primeira

validação foram realizados 12procedimentos, sendo 6 deles com temperatura de 17º

C e umidade relativa do ar em 77%; e os outros 6 com temperatura de 25ºC e

umidade relativa do ar de 29%. Foram feitos três tipos de medidas da resistência do

solo: medição direta com o multímetro de bancada Minipa MDM-8165A fornecido

pela UTFPR, medição indireta por meio da equação 3 com auxílio do multímetro de

bancada, e com a medida obtida através do sistema proposto. Através do

conhecimento do valor tensão aplicada ao circuito, e com a medida da queda de

tensão em cima do sensor com multímetro, a medição indireta da resistência pode

ser feito através da seguinte equação 3, que foi obtida através da análise de um

circuito divisor de corrente, entre e .

(3)

61

Onde é a resistência do solo, é a resistência conhecida no divisor de

tensão, é a queda de tensão em cima do sensor de umidade do solo, e é a

tensão aplicada no circuito.

Os resultados obtidos são demonstrados a seguir:

Tabela1: Tabela de dados recolhidos nos testes do s ensor de umidade de solo (dia 1 - 1).

Dia 1 - Sensor 1

Temperatura: 17ºC Umidade relativa do ar: 0,77 Massa de terra [g]: 250

Resistência (direta)

[Ohm]

Resistência (indireta

com multímetro) [Ohm]

Resistência (indireta)

[Ohm]

vaso

Umidade

[%] 1 2 3 1 2 3 1 2 3

Vaso 1 5 1,4M N/A 0,96M 0,95M 0,97M 1,8M 1,1M 1,5M 2M

Vaso 2 10 230K 1100K 763K 456K 252K 190K 129K 334K 249K

Vaso 3 20 44000 55000 90000 87256 40809 52714 101674 50659 60055

Vaso 4 30 30000 27000 5300 7943 17902 7943 8529 19344 8770

Vaso 5 40 3700 4000 1445 3306 4185 2290 4044 4682 2472

Vaso 6 50 8300 1900 2500 3306 2385 3306 3858 2621 3792

Vaso 7 60 950 9000 7500 1622 2720 2846 2133 2822 2986

Vaso 8 70 4400 8000 6800 2859 2400 2699 2927 2562 2921

Vaso 9 80 16000 7000 16860 2762 2703 2846 3065 2878 2958

Vaso 10 90 80000 N/A 15000 3528 2923 2846 3870 2995 2966


62

Tabela 2: Tabela de dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo (dia 1 - 2).

Dia 1 - Sensor 2



[Ohm]


[Ohm]


[Ohm]

vaso

Umidade

[%] 1 2 3 1 2 3 1 2 3

Vaso 1 5 1,9M N/A 1,45M 0,94M 0,73M 2,5M 0,98M 0,5M 0,53M

Vaso 2 10 280k 1300k 1320k 158k 214k 295k 198k 320k 408k

Vaso 3 20 59k 290k 65k 50k 27k 47k 58k 31k 63k

Vaso 4 30 20000 42500 14000 18512 14163 15556 22944 16162 17319

Vaso 5 40 3200 5500 5500 4000 4839 4185 4700 5301 4773

Vaso 6 50 2900 5000 5500 3861 4703 3529 5087 5689 3487

Vaso 7 60 2200 5000 2200 3290 3198 3528 3371 3698 3630

Vaso 8 70 11000 2700 11000 3480 3465 3677 3802 3684 3993

Vaso 9 80 23000 3000 N/A 2888 3001 3198 3087 3128 3922

Vaso 10 90 20000 5000 N/A 3117 2932 3933 3856 3380 17970

Fonte: Autoria Própria (2017)

Tabela 3: Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo (dia 2 - 1).

Dia 2 - Sensor 1



[Ohm]


[Ohm]


[Ohm]

vaso Umidade[%] 1 1 1

Vaso 1 5 82000 89474 106587

Vaso 2 10 82000 43543 51178

Vaso 3 20 70000 19143 23338

Vaso 4 30 55000 7256 8047

Vaso 5 40 199000 8746 9430

Vaso 6 50 152000 2595 3202

Vaso 7 60 102000 3965 4419

Vaso 8 70 130000 3144 3870

Vaso 9 80 140000 3234 4982

Vaso 10 90 99000 3372 3801


63

Tabela 4: Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo (dia 2 - 2).

Dia 2 - Sensor 2


Resistência

(direta)[Ohm]

Resistência

(indireta)[Ohm]

Resistência

(indireta)[Ohm]

vaso Umidade[%] 1 1 1

Vaso 1 5 330000 878993 6414984

Vaso 2 10 1600000 52384 59465

Vaso 3 20 1350000 25889 30766

Vaso 4 30 90000 7535 9099

Vaso 5 40 390000 6639 7447

Vaso 6 50 100000 4515 4982

Vaso 7 60 170000 4071 4531

Vaso 8 70 32000 3611 4381

Vaso 9 80 NA 4515 4948

Vaso 10 90 NA 4515 34437


8.3.5 Confiabilidade do sensor

Com os resultados obtidos foi possível notar uma inconsistência na

resistência observado em valores com muito baixa umidade (5%) e em muito alta

umidade (a partir de 60%), por outro lado, essas condições são totalmente

inapropriadas para o plantio dos vegetais alvos, pois o valor de 5% é muito seco,

impossibilitando o plantio de hortaliças comuns, assim como o de extrema umidade

que possui pouquíssimos exemplos de vegetais que possam ser cultivados nestas

condições.

A partir de uma pré-avaliação observada nos primeiros testes, inicia-se a

validação efetiva do equipamento, partindo para um Controle Estatístico de Processo

(CEP). O CEP tem por objetivo apontar sinais de instabilidade ao longo do tempo

para controle da variação, previsão do comportamento, aumentar confiança, etc.

Para tal, são geradas cartas de controle que indicam se o processo é estável e

capaz (Fiterman et al., 2004). Nos estudos CEP são utilizadas duas cartas de

controle, a carta das médias, que indica a tendência do processo, e a carta das

64

amplitudes, que indica a dispersão do mesmo. Para a formação da carta de controle,

precisamos definir as linhas de LSE/LIE (Limite Superior Especificado/Limite Inferior

Especificado) que são os limites definidos para cada faixa, LSC/LIC(Limite Superior

de Controle/Limite Inferior de Controle) limites de controle calculados através das

médias e amplitudes e a LM (Linha Média) que indica a linha média do processo

através das amostras coletadas (Alencar et al., 2004).

Para afirmar que o Processo é Capaz, precisamos verificar dois índices,

Capacidade Potencial do Processo (CP) que leva em conta a variabilidade do

processo e o CPK que leva em conta a centralização da variabilidade. Segundo

Spiandorello (2017), a variação do índice CPK em um processo deve ser no mínimo

1,67, pois assim, a variação é consideravelmente menor que o campo de tolerância,

o que proporciona segurança ao sistema de medição pois a probabilidade de

medição não conforme é muito baixa.

Para o cálculo do CP utilizamos a fórmula 4:

(4)

Onde, LSE e LIE são respectivamente o limite superior e inferior de

especificação, e !é o desvio padrão estimado. Para a avaliação dos índices

calculados temos que:

Processo incapaz: CP <1

Processo aceitável: 1"CP"1,33

Processo Capaz: CP>1,33

Já para o cálculo do CPK utilizamos a fórmula 5 a seguir:

(5)

Onde, #é a média do processo. Para a avaliação dos índices calculados

temos:

Processo incapaz: CPK <1

Processo aceitável: 1"CPK"1,33

65

Processo Capaz: CPK>1,33

Utilizando do CEP foram realizados testes com 20 corpos de prova por faixa

de medição, sendo aplicado o controle para a validação do processo de medição

conforme testes e CEPS detalhados na tabela 5.

Tabela 5 - Valores medidos para a geração do CEP.

Resistência Aferida [Ohm]

Umidade

Vaso 5% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%

Vaso 01 8,90M 231,7K 64,89K 13,3K 5,30K 4,20K 3,437K 3,036K 3,050K 4,699K

Vaso 02 9,59M 224,0K 59,76K 13,0K 5,27K 4,13K 3,440K 3,051K 2,978K 3,779K

Vaso 03 7,71M 206,2K 55,74K 13,4K 5,19K 4,17K 3,439K 3,052K 3,112K 3,372K

Vaso 04 7,02M 195,3K 55,83K 15,6K 5,21K 4,14K 3,413K 3,060K 3,605K 3,997K

Vaso 05 8,32M 192,7K 43,22K 13,7K 5,29K 4,05K 3,408K 3,033K 4,343K 3,415K

Vaso 06 7,77M 223,2K 57,38K 13,5K 5,22K 4,05K 3,407K 3,036K 3,235K 3,936K

Vaso 07 9,20M 220,4K 46,02K 13,9K 5,29K 4,05K 3,444K 3,031K 2,994K 3,475K

Vaso 08 11,1M 185,9K 49,60K 12,3K 5,25K 4,06K 3,418K 3,060K 2,899K 3,660K

Vaso 09 8,26M 250,8K 57,48K 13,1K 5,30K 4,02K 3,479K 3,049K 3,525K 4,242K

Vaso 10 8,44M 220,1K 50,86K 13,7K 5,28K 4,15K 3,427K 3,058K 2,972K 3,097K

Vaso 11 6,75M 226,6K 44,43K 13,9K 5,29K 4,06K 3,412K 3,044K 2,911K 3,799K

Vaso 12 7,51M 256,7K 49,87K 13,9K 5,28K 4,07K 3,478K 3,050K 4,055K 3,607K

Vaso 13 8,43M 197,5K 49,54K 15,0K 5,25K 4,19K 3,429K 3,056K 3,525K 3,398K

Vaso 14 7,54M 196,0K 54,79K 14,2K 5,23K 4,02K 3,498K 3,065K 2,793K 4,083K

Vaso 15 8,14M 257,4K 62,02K 13,7K 5,27K 4,10K 3,442K 3,035K 3,544K 3,821K

Vaso 16 7,94M 190,7K 56,47K 14,4K 5,18K 4,04K 3,471K 3,048K 3,489K 3,843K

Vaso 17 7,10M 243,1K 56,91K 14,0K 5,26K 4,10K 3,438K 3,054K 2,694K 3,519K

Vaso 18 9,40M 212,2K 54,50K 13,2K 5,29K 4,05K 3,469K 3,045K 3,773K 3,575K

Vaso 19 8,53M 213,0K 54,90K 14,2K 5,25K 4,09K 3,445K 3,051K 3,688K 2,762K

Vaso 20 6,13M 251,4K 59,07K 12,7K 5,21K 4,05K 3,458K 3,049K 2,390K 2,469K

Fonte: Autoria própria (2017)

A partir dos dados obtidos, foram geradas as cartas para cada faixa de valor

medido.

05%: Para o campo de 5%, o corpo de prova foi acrescentando 12,5g de água

para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a

66

resistência medida deve estar entre 1,3 MΩ e 400 kΩ, os valores obtidos

geraram o resultado apresentado na figura 29:

Figura 29: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 5%

Fonte: Autoria própria obtida do software MINITAB ®(2017).

Com os valores gerados, podemos ver que o processo é capaz, porém

pouco estável, ainda que dentro de um valor aceitável, isso devido ao fato da

dificuldade de se ter uma homogeneidade da umidade na amostra. Por outro lado,

além de não ter valores de resistência superiores esperados, não há uma

interferência na validação, além de que, para o foco da utilização do equipamento,

há uma gama extremamente restrita de vegetais que podem se desenvolver

adequadamente nesta condição extrema.

10%: Para o campo de 10%, o corpo de prova foi acrescentando 25g de água


resistência medida deve estar entre 400kΩ e 90kΩ, os valores obtidos


67

Figura 30: Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 10%.


Com os valores gerados, podemos ver que o processo é capaz, e estável,

porém próximo ao limite do valor ideal esperado no CPK, também devido ao fato da

dificuldade de uma homogeneidade adequada, ainda que conseguindo um resultado

muito superior.

Com um valor já mais utilizável e uma melhor condição de medição, nota-se

que o equipamento consegue um resultado mais preciso e com repetibilidade maior.



resistência medida deve estar entre 90 kΩ e 20kΩ, os valores obtidos geraram

o resultado apresentado na figura 31:

68



Com os valores gerados, podemos ver que o processo de medição é capaz

e estável conseguindo já índices satisfatórios, devido às condições de medições

melhores.



resistência medida deve estar entre 20 kΩ e 8 kΩ, o resultado apresentado na

figura 32:

69



Com os valores gerados, podemos ver que o processo de medição é capaz

e estável, mesmo com um campo menor de trabalho, o que confirma o fato que as

condições ideais de medições aumentam a repetibilidade e, em consequência, a

confiança do equipamento.

40%: Para o campo de 40%, o corpo de prova foi acrescentando 100g de

água para 250g de terra, para o campo que foi colocado para esta faixa a

resistência medida deve estar entre 8 kΩ e 5 kΩ, os valores obtidos geraram o

resultado apresentado na figura 33:

70



Podemos ver que o processo de medição é capaz e estável, se mantendo

com bons índices com campos cada vez menores.



resistência medida deve estar entre 5 kΩ e 3,75 kΩ, os valores obtidos


71



O processo ainda é capaz e estável, porém nota-se que ao diminuir a faixa

de trabalho aproximando os limites do sistema interfere nos índices de capacidade e

estabilidade do processo,quanto menor a faixa, mais efeito no CPK.



resistência medida deve estar entre 3,75 kΩ e 3,25 kΩ, os valores obtidos


72



O índice de capabilidade e estabilidade ainda se mantém em um valor baixo

devido ao pequena faixa de trabalho, estreitando os limites fazendo os índices

diminuírem.



resistência medida deve estar entre 3,25 kΩ e 3 kΩ, os valores obtidos


73



O campo de trabalho limitado faz com que, mesmo o processo de medição

ser capaz de realizar as medidas sem erro, possuir uma baixa repetibilidade, ainda

que pouco abaixo do índice ideal desejado.



resistência medida deve estar entre 3 kΩ e 2,8 kΩ, os valores obtidos geraram

o resultado apresentado na figura 37:

74



Nesse caso, a precisão do equipamento não consegue garantir valores

aceitáveis dentro da capabilidade e estabilidade, porém, o estado que se encontra o

substrato é novamente inviável para o cultivo dos vegetais desejados, sendo

extremamente restrito os exemplos que podemos utilizar.



resistência medida deve estar entre 2,8 kΩ e 2,7 kΩ, os valores obtidos

geraram o resultado apresentado na figura 38.

75



Novamente, a precisão do equipamento não consegue garantir valores

aceitáveis dentro da capabilidade e estabilidade, e neste caso ainda temos um

agravante, a grande quantidade de água não permite valores mínimos de

homogeneidade, fazendo com sejam emitidos resultados de resistência maior que

alguns índices de umidade menor.

Com as cartas geradas pela ferramenta Sixpack para capacidade normal, do

software Minitab®, aplicando os cálculos para CP e CPK e nos apontando

graficamente,foi observado que para a faixa de valores que desejamos trabalhar, o

equipamento se mostrou muito eficiente e confiável, atingindo as nossas

expectativas e garantindo os requisitos e confiabilidade esperada do nosso

consumidor final.

76

8.3.6 Modelo estático do sensor de umidade de solo

Como se pôde observar, com umidade muito baixa, menor que 30%, a

discrepância dos dados é bem grande, porém os dados vão se adequando quando a

umidade relativa aumenta, até medições de umidade por volta de 70%.

Com auxílio do software R, foram feitos testes para modelos evidenciados

na figura 39, que se encaixam aos dados experimentais, e a curva de powerlaw teve

um coeficiente de adequação de 93%.

O modelo estatístico para o sensor é dado pela equação 6:

. $(&) (. $()) (6)

Sendo:

& Resistência do solo;

) Umidade relativa;

Constante;

( Constante

Figura 39: Gráficos da adequação dos modelos pela f unção de powerlaw pelos dados

experimentais. Fonte: Autoria própria (2017).

77

Tabela 6: Coeficientes obtidos através do software R para o modelo do sensor de umidade do

solo.

Estimativa Erro padrão

Intercepto 17.78146 0.29889

Log(dados$x) -2.32213 0.08239


Com os coeficientes fornecidos pelo software R, vistos na tabela 6,

encontramos a seguinte função do comportamento do sensor:

& *+,-.+/012(3) (7)

Esses coeficientes foram encontrados com:

Erro padrão residual: 0.5767 com 58 graus de liberdade

R-Quadrado múltiplo:0.932, R-quadrado Ajustado: 0.9308

8.4 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE DO MICROCONTROLADOR

O software do microcontrolador ESP-8266 utilizado no projeto, foi

desenvolvido utilizando a Interface gráfica platformio, que é um ambiente integrado

de desenvolvimento baseado no atom. Pela compatibilidade e confiabilidade, foi

utilizado o ambiente da plataforma Arduino. Os fabricantes do microcontrolador,

fizeram a portabilidade do ambiente para o microcontrolador ESP-8266,

possibilitando que o programador utilize das mesmas bibliotecas e funções

disponíveis para os microcontroladores da empresa Arduino.

Essa portabilidade facilitou o desenvolvimento do software em questão uma

vez que:

O ambiente Arduino é amplamente utilizado na comunidade de

desenvolvedores, tornando rápido o acesso a referências e exemplos

de utilização.

Os autores deste projeto estão familiarizados com o ambiente Arduino.

78

O acesso a bibliotecas confiáveis necessárias no projeto, diminuiu os

esforços necessários para a obtenção dos objetivos.

8.4.1 Sincronia do dispositivo com a rede local

Uma das principais características deste projeto é a capacidade do dispositivo

de se conectar à internet pela rede sem fio para fornecer dados para o usuário. Tal

como qualquer outro dispositivo que se conecta à rede sem fio, como um

computador pessoal ou um celular, são necessários no mínimo duas etapas para

que a conexão tenha sucesso. São elas:

Verificar quais as redes sem fio disponíveis.

Escolher qual rede o usuário deseja se conectar.

Caso a rede seja protegida por senha, o usuário precisa enviar a senha para

o dispositivo (roteador) que ele deseja conectar.

Sendo assim, o dispositivo objeto de estudo deste trabalho, precisa receber

qual a rede sem fio que o usuário deseja estabelecer a conexão, e caso necessário,

qual a senha de acesso à essa rede. No momento em que o dispositivo é energizado

pela primeira vez, o adaptador de rede sem fio presente no microcontrolador, se

comporta como um ponto de acesso sem fio, ou access point, que é basicamente

um servidor de rede sem fio, que pode ou não estar conectado à internet. O usuário

então, se conecta à rede sem fio disponibilizada pelo dispositivo, e em seguida,

realiza as configurações necessárias para que o dispositivo tenha sucesso ao se

conectar na rede sem fio local. O processo de sincronia está exemplificado na figura

40.

79

Figura 40: Processo de sincronia do dispositivo com a rede local.


Uma vez que o dispositivo testou a conexão com a rede sem fio local e obteve

sucesso, ele deixa de se comportar como um ponto de acesso, e passa a se

comportar como uma estação (station). O dispositivo em modo estação se comporta

de maneira idêntica a qualquer outro dispositivo com capacidade de conexão sem fio

conectado à rede sem fio local. Uma vez em modo estação, caso o dispositivo

verifique a falta de conexão com a rede sem fio local por um tempo superior a dois

minutos, ele retorna ao modo de operação ponto de acesso e continuamente tenta

se conectar à rede local sem fio configurada pelo usuário.

80

8.4.2 Operação do dispositivo

O dispositivo proposto por este trabalho deve realizar as seguintes funções:

Se conectar à rede sem fio local com acesso à internet para publicação dos

valores obtidos do sensoriamento, e para receber comandos.

Monitorar os sensores de luminosidade, temperatura ambiente, e umidade

gravimétrica do solo e publicar no banco de dados para análise futura.

Controlar o funcionamento da válvula de controle de fluxo, realizando a

irrigação quando o solo estiver com umidade gravimétrica abaixo do

especificado para o cultivo.

Recuperar o seu modo de operação em caso de falha momentânea de

alimentação.

Salvar dados localmente em memória não volátil, como o nome e a senha de

acesso da rede em que ele deve se conectar.

Receber e tratar mensagens publicadas especificamente para o dispositivo,

nos tópicos em que ele está inscrito. Um exemplo de comando via mensagem

é a opção “regar agora” que permite o usuário testar o sistema de irrigação

sem passar pelo crivo da lógica dos sensores.

Receber remotamente os horários de irrigação.

A arquitetura escolhida para este software é dividida em duas partes: Setup e

loop. No modo setup, o programa é responsável por configurar alguns parâmetros

necessários para o correto funcionamento do dispositivo. São eles:

Inicializar a comunicação serial transistor transistor logic responsável para

depuração do código, em uma velocidade de 115200 bit/s.

Declarar à quais pinos estão conectados os periféricos presentes no projeto,

como sensores,conversor analógico digital, etc.

Inicializar as bibliotecas dos sensores, responsáveis pela comunicação e/ou

obtenção de dados.

Configurar os tópicos requisitados pela comunicação via protocolo MQTT para

publicação de mensagens.

Inicializar o real time clock do controlador, para se obter a base de tempo

utilizada no software.

81

Inicializar a memória não volátil do microcontrolador, deixando esta pronta

para salvar dados de configuração.

Inicializar o dispositivo em modo ponto de acesso e aguardar ações do

usuário para que ele se conecte à rede local sem fio.

O modo loop é responsável pela leitura contínua dos sensores, verificação do

estado da comunicação e verificar a disponibilidade de mensagens nos tópicos

inscritos relativo ao protocolo MQTT. Um descritivo pontual das sub funções do

modo loop estão descritas abaixo:

Atualizar os valores dos sensores nas memórias voláteis do microcontrolador.

Atualizar o real time clock do microcontrolador via Network Time Protocol.

Publicar os valores dos sensores e informações sobre o estado de operação

do microcontrolador via rede sem fio e protocolo MQTT.

Verificar a disponibilidade de mensagens publicadas nos tópicos em que o

dispositivo está inscrito, como por exemplo o comando “regar agora”.

Verificar se, pelos valores obtidos dos sensores, a irrigação deve ser feita

liberando o fluxo de água pela válvula de controle.

Pela incapacidade do microcontrolador de realizar as equações 6 e 7

necessárias para a conversão dos valores de tensão em umidade gravimétrica do

solo, os valores de tesão são publicados no banco de dados e a conversão é por

processamento em nuvem.

8.4.2.1 Controle da irrigação

A irrigação é configurada remotamente, na qual, por meio da rede sem fio via

protocolo de dados MQTT, o usuário envia ao microcontrolador quais os horários a

válvula de controle de fluxo deve ser liberada. Esta funcionalidade tem operação

parecida com um despertador convencional, onde o usuário pode configurar o

horário de início e a duração da irrigação por gotejamento.

82

A irrigação é programada no momento da instalação do dispositivo, onde o

usuário deve se atentar às condições do ambiente para a correta programação.

Porém, visando um controle em malha fechada, o controlador pode tomar a decisão

de liberar o fluxo na válvula de controle. Essa decisão é tomada de acordo com a

leitura da quantidade de horas de sol direta que a área de cultivo recebe, e a leitura

do sensor de umidade gravimétrica do solo.

O microcontrolador contabiliza quantas horas de sol direto a área de cultivo

recebeu em um dia. Se o valor ultrapassar três horas de sol direto e o valor do

sensor de umidade estiver abaixo do valor mínimo pré-configurado no programa, ele

toma a decisão de iniciar a irrigação. Esta irrigação é realizada em três etapas, com

duração de 2 minutos cada. Após o fim da primeira etapa, o controlador espera 10

min e inicia a segunda etapa, e o processo é repetido para a terceira etapa. Este

controle auxiliar é executado desta maneira para permitir que a água tenha tempo o

suficiente para se espalhar pelo solo, proporcionando leituras mais homogêneas e

menos pontuais.

8.4.2.2 Publicação e subscrição via MQTT

Conforme citado na seção 8.4.3 deste trabalho, a comunicação via protocolo

MQTT funciona pela arquitetura publicação e subscrição. Se um dispositivo pretende

captar mensagens via protocolo MQTT, ele subscreve em um tópico definido pelo

arquiteto do sistema, e a partir do momento em que a subscrição é validada, ele está

apto a ler todas as mensagens que forem enviadas naquele tópico. O mesmo ocorre

quanto ao envio de mensagens, onde o dispositivo publica a mensagem em um

tópico definido pelo arquiteto do sistema.

Os tópicos que o dispositivo está inscrito para receber mensagens do servidor

mostrados na figura 41 são:

schedules: horários de irrigação.

pump Enabled: habilitar ou desabilitar o acionamento da válvula de controle

de fluxo.

pump Now: comando “regar agora” que permite o usuário testar o sistema de

irrigação.

83

resync:comando para esquecer a rede local e a senha configurada.

new Version: comando que indica uma nova versão de software disponível.

Figura 41: Tópicos de inscrição do dispositivo.


Da mesma maneira, o dispositivo faz publicações em tópicos definidos pelo

arquiteto do software quando ele deseja mandar uma mensagem, mostrado na figura

42. Os tópicos de publicação do dispositivo são:

sensors: tópico onde ele publica os valores de todos os sensores.

heart beat: responsável para que o servidor saiba que o dispositivo está ativo

e conectado. O dispositivo envia uma mensagem vazia no tópico heartbeat a

cada 60 segundos, independente da lógica de operação.

new Version: tópico responsável por receber qual a versão do software do

dispositivo.

84

Figura 42: Tópicos de publicação do dispositivo.


9 RESULTADOS

A proposta deste estudo, foi desenvolver um sistema de telemetria e

telecomando para suporte à agricultura urbana. O primeiro ponto a ser apresentado

como resultado é o desenvolvimento das plantas sob o sistema proposto no estudo.

85

Figura 43: Plantas cultivadas com auxílio do sistem a de telemetria e telecomando para suporte

à agricultura urbana.


Na figura 43, podemos notar as plantas 60 dias após o plantio das mudas e

instalação do sistema. Destaque para a alface-crespa, figura 44, que cresceu a

ponto de se diferenciar das plantas de mesmo tipo comumente vendidas nos

mercados locais.

86

Figura 44:Alface-crespa (Lactuca sativa var. crispa ) cultivada no ambiente de teste deste

estudo.


Conforme figura 45, foi evidenciado também a viabilidade de cultivo orgânico

em ambiente urbano, com uma variedade de plantas maior do que as analisadas

neste estudo.

Figura 45:Variedade de alimentos produzida em âmbit o urbano com auxílio do sistema de

telemetria e telecomando para suporte à agricultura urbana.


87

O projeto e desenvolvimento do sistema de telemetria e telecomando para suporte à

agricultura urbana foi finalizado dentro do prazo estipulado e obteve como resultado

o controle de irrigação remota do ambiente de teste na região metropolitana de

Curitiba, sendo que a primeira colheita ocorreu 60 dias após o plantio das mudas. O

dispositivo de controle desenvolvido nesse estudo se mostrou robusto a chuva e

umidade permanecendo até a data de elaboração deste documento no local de

cultivo. Foi evidenciado uma estabilidade satisfatória na comunicação sem fio,

permitindo a análise remota dos dados obtidos pelos sensores.

10 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A elaboração de um sistema de telemetria e telecomando para suporte à

agricultura foi concluído com sucesso, visto que foi construído um protótipo funcional

que ao ser submetido à testes, pode-se avaliar os resultados obtidos e verificou-se a

satisfatoriedade para os itens requisitados. O destaque do trabalho, além de

desenvolver um equipamento que auxilie o desenvolvimento da agricultura urbana,

dado como umas das principais formas para combater a escassez de alimentos no

futuro, foi o desenvolvimento do sensor de umidade, devido ao desenvolvimento do

seu conceito, concepção e validação, terem sido dados pelos desenvolvedores,

atingindo valores que atendessem às exigências para o correto funcionamento do

equipamento. A escolha do processo de fabricação para o corpo principal do

equipamento também se mostrou de grande importância, pois o método escolhido

foi a fabricação digital, o que garante o baixo custo de desenvolvimento,

imprescindível para o desenvolvimento do projeto, além de ser extremamente

receptivo às alterações de projeto, necessárias nesse momento de desenvolvimento.

Porém, foi importante atentar a dificuldades de estanqueidades, contornados com

métodos de fabricação, e utilização de vedação externa, que foram satisfatórios ao

realizar-se testes em campo.

88

A aquisição dos demais dados, além da umidade, se dão por sistemas

previamente desenvolvidos, porém, ao reunir todos os dados, abre-se um leque de

possibilidades que agregam um enorme valor ao cultivador:

- Diário de cultivo automatizado (histórico de plantio para servir de

planejamento no próximo ciclo de plantio);

- Descentralizar a tomada de decisão sobre o controle de irrigação (qualquer

um que tenha acesso garantido ao sistema pode executar as funções de

controle);

- Processamento em nuvem dos dados obtidos dos sensores, somados a

entradas do cultivador (qualidade do cultivo, etc.) permite estabelecer e

reconhecer padrões ideais de cultivo.

Dentre as melhorias possíveis do projeto, destaca-se a utilização de sensor

de solo capacitivo ao invés de resistivo, melhoria pela nova versão de

microcontrolador (utilizada ESP8266) pela nova ESP32 com conversor

analógico/digital integrado, a implementação de baterias, energia solar e a

comunicação via GPRS substituindo a WiFi.

89

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TEXAS INSTRUMENTS. LM2596 SIMPLE SWITCHER. Disponível em: <http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf>. Acessoem: 19 mai. 2017.

TEXAS INSTRUMENTS. Ultra-small, low-power, i2c, 16-bit ADC with int re f, PGA, and Progcomparator . Disponível em: <http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1115.pdf>. Acesso em: 19 mai. 2017.

TEXAS INSTRUMENTS.Ads111x ultra-small, low-power, i2c-compatible, 860 -sps, 16-bit adcs with internal reference, oscillato r, and programmable comparator .Disponível em: <http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1115.pdf>. Acesso em: 21 nov. 2017.

TOKEN ELECTRONICS. Light dependent resistors . Disponível em: <http://www.token.com.tw/pdf/resistor/cds-resistor-pgm.pdf>. Acesso em: 15 mar. 2017.

VOLPATO, Neri. Introdução à tecnologia cnc e à programação manual de torno e fresadora . 5 ed. Curitiba: [s.n.], 2014.

ZIMMERMANN, Hubert. OSI reference model -The ISO model of architecture for open systems interconnection . IEEE Transactions on communications, 1980, 28.4: 425-432.

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ANEXOS

ANEXO A - OVERVIEW DATASHEET ESP8266EX

Espressif’s ESP8266EX delivers a highly integrated Wi-Fi SoC solution to meet the continuous demand for efficient power usage, compact design and reliable performance in the industry. With its complete and self-contained Wi-Fi networking capabilities, ESP8266EX can perform either as a standalone application, or as a slave to a host MCU. When ESP8266EXhosts an application, it promptly boots up from the external flash. The integrated high speed cache optimizes the system's performance and memory. Also, ESP8266EX can be applied to any micro-controller design as a Wi-Fi adaptor through SPI/SDIO or I2C/UART interfaces. Besides the Wi-Fi functionalities, ESP8266EX also integrates an enhanced version of Tensilica’s L106 Diamond series 32-bit processor and on-chip SRAM. It can be interfaced with external sensors and other devices through the GPIOs, resulting in low development cost at early stage and minimum footprint. Software Development Kit (SDK) provides sample codes for various applications. ESP8266EX integrates antenna switches, RF balun, power amplifier, low-noise receive amplifier, filters and power management modules. The compact design minimizes the PCB size and the external circuitry. ESP8266EX enables sophisticated features, such as: • Fast switching between sleep and wake-up modes for efficient energy use; • Adaptive radio biasing for low-power operation; • Advanced signal processing; • Spur cancellation; • Radio co-existence mechanisms for common cellular, Bluetooth, DDR, LVDS, LCD interference mitigation.

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ANEXO B - FEATURES, APPLICATIONS AND DESCRIPTION DATASHEET ADS111x

1 Features • Ultra-Small X2QFN Package:2 mm × 1.5 mm × 0.4 mm • Wide Supply Range: 2.0 V to 5.5 V • Low Current Consumption: 150 µA(Continuous-Conversion Mode) • Programmable Data Rate:8 SPS to 860 SPS • Single-Cycle Settling • Internal Low-Drift Voltage Reference • Internal Oscillator • I2C Interface: Four Pin-Selectable Addresses • Four Single-Ended or Two Differential Inputs(ADS1115) • Programmable Comparator (ADS1114 andADS1115) • Operating Temperature Range:–40°C to +125°C 2 Applications • Portable Instrumentation • Battery Voltage and Current Monitoring • Temperature Measurement Systems • Consumer Electronics • Factory Automation and Process Control 3 Description The ADS1113, ADS1114, and ADS1115 devices(ADS111x) are precision, low-power, 16-bit, I2Ccompatible,analog-to-digital converters (ADCs)offered in an ultra-small, leadless, X2QFN-10package, and a VSSOP-10 package. The ADS111xdevices incorporate a low-drift voltage reference and an oscillator. The ADS1114 and ADS1115 also incorporate a programmable gain amplifier (PGA) and a digital comparator. These features, along with a wide operating supply range, make the ADS111x well suited for power- and space-constrained, sensor measurement applications. The ADS111x perform conversions at data rates up to 860 samples per second (SPS). The PGA offers input ranges from ±256 mV to ±6.144 V, allowing precise large- and small-signal measurements. TheADS1115 features an input multiplexer (MUX) that allows two differential or four single-ended input measurements. Use the digital comparator in theADS1114 and ADS1115 for under- and over voltage detection. The ADS111x operate in either continuous conversion mode or single-shot mode. The devices are automatically powered down after one conversion in single-shot mode; therefore, power consumption issignificantly reduced during idle periods.

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APÊNDICES

APÊNDICE A - PESQUISA SOBRE AGRICULTURA URBANA

sistema de telemetria e telecomando para suporte À

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