Desenvolvimento de um sistema de monitoramento e irrigao automtico.

Bruno Gonalves1

Resumo: Este projecto tem por objectivo apresentar o prottipo de um sistema autnomo de monitoramento de umidade do solo e irrigao automtico. O sistema consiste em dois sensores de umidade de solo, um electrovlvula (que pode ser alimentado por um bateria de 9, 12, 24 voltes, ou alimentado por uma bateria carregada por uma clula fotovoltaica), e um medidor de caudal de gua, e um microcontrolador Arduno, alimentado por uma pilha de 9 voltes. O propsito desse projecto minimizar o consumo de gua necessrio para o desenvolvimento e crescimento das culturas num intervalo ideal de umidade de solo. Palavras-chaves: Arduino, automao, irrigao de solo.

Development of a monitoring system and automatic irrigation Abstract: This project aims to present the prototype of an autonomous system for monitoring soil moisture and automatic irrigation. The system consists of two soil moisture sensors, one solenoid valve (which can be powered by a battery 9, 12, 24 volts, or powered by a charged by a photovoltaic cell battery), and a flow meter of water, and one Arduino microcontroller, powered by a 9 Volt battery. The purpose of this project is to minimize the consumption of water necessary for the development and growth of crops in an ideal range of soil moisture. Keywords: Arduino, automation, soil irrigation. 1. Introduo Para o bom desempenho de qualquer actividade agrcola, seja ela de pequena ou grande escala, importante controlar a umidade do solo a fim de garantir o aproveitamento eficiente da gua para as culturas. Tendo como intuito, a carncia de um sistema que proporcione de forma concisa, o controle e monitoramento, com a mnima necessidade de interferncia humana proporciona assim um rendimento estvel da plantao. Sua aplicao, porm, exige a minimizao do consumo de gua. Logo, torna-se imprescindvel optimizar o consumo de gua e energia, para maximizar a rentabilidade da produo e minimizar o impacto da actividade sobre o ambiente. A fim de desenvolver tcnicas de irrigao com maior controle de gua e que permitam a preservao dos recursos hdricos, este trabalho tem como objectivo de monitorar a umidade de solo, accionando uma electrovlvula, que permite a irrigao quando o solo encontra-se abaixo de nvel de umidade previsto para um bom desenvolvimento das culturas, controlado por um microcontrolador open souce Arduno de baixo custo econmica e energtica. Umidade do solo pode ser definida como a concentrao mxima de gua que pode existir em um determinado bloco de terra, ou tambm pode ser definida como a massa da gua contida em uma amostra de solo dividido pela massa de solo seco [1].

1 Estudante do mestrado de Engenharia qumica e bioqumica da UNL-FCT, email: bmg.g.cv@gmail.com

Aps a reviso do documento do projecto fsico, este se constitui da seguinte forma: Na primeira seo, ser apresentado um detalhamento mais aprofundado do projecto 1, que consiste no controle de monitoramento de umidade de solo, com possveis solues tecnolgicas, e de como ser implementado o projecto e de que maneira o mesmo ir funcionar. Na segunda seo ser apresentado projecto 2, mais complexo com vrios parmetro controlado, temperatura do solo e de ar, umidade do solo e de ar, PH do solo, e condutividade de solo para identificar a concentrao dos sais no solo. Na terceira seo ser apresentado o projecto 3, o principal objecto a comunicao sem fios entre os sensores e microcontrolador, do projecto 2, e monitoramento de dados via internet. 2. Projecto Proposto

O propsito deste projecto criar uma ferramenta flexvel, de baixo custo, e capaz de ser operada por qualquer pessoa. O sistema se encarregar de monitorar umidade de solo lendo os valores de sensores, accionando abertura de electrovlvula para irrigao do solo quando o solo encontra-se em baixo nvel de humidade (seco), e accionando o fecho quando atinge um nvel de umidade ptima, terminando assim a irrigao, garantido sempre um intervalo ptimo de umidade de solo para o um bom desenvolvimento das plantas. Uma das funcionalidades que o sistema indica o usurio num display LCD, as funes que o sistema esta a realizar e as condies que encontra o solo, indicando se solo encontra seco e liga um led vermelho, ou hmido e linga um led verde, e se electrovlvula encontra aberto e liga outro led verde, e o respectivo caudal de agua em litro por hora (L/h). Tambm o sistema indica com um led amarelo, diminuindo a intensidade da luz a medida que a umidade de solo diminui. A figura 1 representa a diagrama de blocos do prottipo com os respectivos componentes.

Figura 1 - Diagrama de bloco do prottipo. No desenvolvimento desse projecto foi utilizado uma bomba submersvel de 12 v para representar a electrovlvula. A seguir, sero apresentados os principais componentes do projecto: 2.1. Mdulo Arduino O mdulo de processamento consiste em um Arduino uno, sua placa consiste em um microcontrolador Atmel AVR de 8 bits, com suporte de entrada/sada (I/O) embutido, uma linguagem de programao baseado essencialmente em C/C++, com componentes

Arduino uno LCD

Moisture sensor A

Moisture sensor B

LM393

LM393 Relay

Valve

Water Flow

LEDs

complementares para facilitar a programao e incorporao para outros circuitos [2]. o celebro do projecto, onde ser feita toda a aquisio e processamento dos dados recebidos.

Em resumo, o Arduino um kit de desenvolvimento, que pode ser visto como uma unidade de processamento capaz de mensurar variveis do ambiente externo, transformadas em um sinal elctrico correspondente, atravs de sensores ligados aos seus terminais de entrada. De posse da informao, ele pode processa-la computacionalmente. Porem, ele pode ainda actuar no controle ou no accionamento de algum outro elemento electroeletrnico conectado ao terminal de sada [3]. A Figura 2 representa uma diagrama de uma cadeia de processamento utilizando o Arduino uno. A imagem 1 a placa do microcontrolador arduino uno.

Figura 2: Diagrama processamento. Imagem 1: Arduino Uno [2].

2.2. Mdulo de sensor de umidade de solo

O sensor de umidade de solo far a aquisio dos dados referentes a umidade do solo, que sero enviados ao Arduno. O mdulo constitudo por um soil probe de 6 centmetros de altura, 2 centmetros de largura, e um modulo driver LM3932, comparador chip, como ilustra na figura abaixo.

2 Circuito comparador de tenso (duplo comparador de tenso).

ARDUINO UNO (Processamento)

Umidade de solo

Caudal de gua

Electrovlvula LEDs

Entrada (sensores)

Sada (Atuadores)

Imagem 2 Especificao de Mdulo de sensor de umidade de solo [4].

O sensor de umidade de solo baseado na mudana de impedncia3. Sendo essa a relao entre a diferena de potencial entre os dois pontos do circuito na placa impressa e a corrente elctrica resultante desse circuito.

A mudana de impedncia uma relao exponencial inversa umidade. Assim. Quanto maior a umidade do solo, maior a tenso de sada e menor a resistncia [5]. Neste caso o sensor utiliza as duas sondas para passar corrente atravs do solo, e faz a leitura da resistncia para obter o nvel de umidade. Mais gua torna o solo mais condutor de electricidade (menos resistncia), enquanto o solo seco conduz menos electricidade (mais resistncia).

2.3. Mdulo de Irrigao Este mdulo possui uma bomba, de 12 volts idntica, (que substitui electrovlvula), conectada ao Arduino, e ser accionada por um circuito com rels quando a umidade do solo estiver abaixo de estabelecida.

3 A impedncia expressa por um nmero complexo e possui sua parte real equivalente resistncia. Alm disso, a unidade de medida da impedncia expressa em ohms.

Imagem 3 Bomba e mdulo rele.

Este mdulo possui tambm um sensor de caudal de gua permitindo medir o caudal de gua e estipular a quantidade de gua gasta em cada irrigao.

Imagem 4- Sensor de caudal da gua [6].

2.4 Leds

No projecto utilizados quatros leds de 5V, dois leds verde, um para indicar o solo hmido, e outro verde para indicar a activao da bomba de gua, e um led vermelho para indicar solo seco, e um led amarelo para indica solo normal.

3. METODOLOGIA E MTODOS

Primeiramente houve a necessidade de um dispositivo (Arduino) que comunica com diferentes componentes, sensores, e modulo rele responsvel para accionar a electrovlvula, ou bomba, a partir de uma fonte de alimentao externo.

Em relao ao sensor de umidade de solo descrito acima, houve a necessidade de se conhecer o funcionamento, dos conversores Analgico-Digital (A/D) do Arduino para se fazer o acoplamento.

Em termos de circuito, esse conversor tem entrada mxima de 5 V. Como ele de 10 bits, consegue diferenciar 1024 (de 0 a 1023) valores entre 0 V e 5V ou seja ele mapeia tenses de entrada entre 0 e 5 volts, representados em nmeros inteiros, no intervalo de 0 a 1023. Produzindo uma resoluo de leitura de, 5 volts divididos por 1024 units. Contabilizando 4,9 mV por cada unidade (0,0049 volts) [7]. A voltagem de retorno o produto da entrada em inteiro (0-1023) e a resoluo de leitura por unidade ( 5v / 1024). No entanto, a tenso (U) pode ser expressa pela equao:

= (1023 ) 4,9 () (1) Em que 1023 units corresponde a 5 volts emitido (output) e UR units de retorno (input), assim pode relacionar units e tenso com as condies de solo.

Condies de solo:

-Solo hmido:

200 ~ 400 units.

U= (1023-200) * 0,0049 =4.03 V;

U= (1023-400) * 0,0049 =3.05 V;

Tenso: 3.05 V ~ 4.03 V; - Solo normal:

400 ~ 700 units;

Tenso: 3.05 V ~ 1.58 V; - Solo seco:

700 ~ 1023 units.

Tenso: 0 V ~ 1.58 V.

Para determinar a percentagem do umidade de solo foi necessrio calibrar o sensor, de acordo com o mtodo dois em [8], constitudo um curva de calibrao para determina a equao que relaciona umidade com tenso em volts, convertendo as tenses em volts lido para a percentagem de umidade de solo. Estabelecendo um intervalo para solo seco e hmido a fim de definir a funo no microcontrolador quando necessrio a realizao ou no de irrigao. Este passo varia de acordo com o tipo de solo, precisa de ser calibrado

repetindo o procedimento para novo solo. A forma mais fcil indicar apenas as condies de solo, definida acima. Para ler o caudal de gua com sensor de caudal de gua, ler se pulso das frequncias (Hz) da roda giratria simples que pulsa um sensor de efeito Hall e a justando a equao:

() = 9 (vertical installation) (2) () = 7.5 (horizontal installation) (3)

Em que Q = caudal do liquido (L/min) [9].

possvel relacionar a intensidade de iluminao de led amarela com a diminuio do umidade de solo, a partir de equao:

= (255)1023

(4)

Em que sensolvolue o units de retorno de sensor de umidade, e 255 units equivale a 5 volts nos pinos digital de arduino. Quando o solo diminui a umidade a intensidade da luz de led amarelo aumenta.

A imagem 5 representa a integrao de todos os mdulos ao microcontrolador arduino uno.

Imagem 5 integrao dos mdulos ao microcontrolador arduino uno.

A montagem do prottipo foi baseada na imagem, acima indicado, seguindo esse ordem de ligao dos componentes:

moistureSensorPinA = A0; moistureSensorPinB = A1; hallsensor = 2; normalsoilLEDPin = 1;

moistsoilLEDPin = 3; drysoilLEDPin = 4; valveLEDPin = 5; PumpPin = 8; A imagem 6 a caixa de montagem de prottipo e as respectivas ligaes entre os componentes do prottipo. E a imagem 7, o prottipo controlado com respectivo sensor de umidade de solo. Imagem 8, o prottipo em funcionamento ligado ao reservatrio de gua de 25 litros, para irrigar.

Imagem 6 caixa de montagem do prottipo.

Imagem 7 prottipo.

Imagem 8 funcionamento do Prottipo

Diagrama de funcionamento de cdigo

Diagrama abaixo representa a ideias chave como o processamento de dados so efectuados no microcontrolador.

Figura 2 diagrama de blocos de funcionamento de cdigos.

inicio define os valores ler valores dos

sensores de umidade

se umidade inferior a 10%

Ligar bomba; Ler caudal de agua;

ligar Led's vermelho (solo seco); ligar led verde (bomba open);

ler valores dos sensores de umidade;

se umidade maior de 80%;

desligar bomba; ligar led verde (solo

humido); para a leitura de caudal de

agua.

ler valores dos sensores de umidade;

se umidade esta entre 30 % a 70%;

Ligar led amarelo (indicando a dimuio da agua no solo)

4. Testes efectuados e concluses

Na tabela 1 indica a principais teste realizados para validao do prottipo e as

respeitavas concluses, de cada mdulo testado individual, e o teste com todos os

mdulos integrados.

Tabela 1: Teste realizados para validao do prottipo.

TESTES

DESCRIO

RESULTADOS ESPERADOS

RESULTAD

OS OBTIDOS

AO EM

CASO DE FALHA

CONCLUSES

Mdulo de

sensor de umidade de

solo

Teste realizado em caixa branca*, onde faz se necessria a calibrao do sensor e posterior verificao do funcionamento do mesmo para aplicao.

Valor para umidade de solo dentro do esperado, com pouca variao ou prximo dos valores dos pontos da curva de calibrao.

Valor verificado muito prximo, a o de esperado.

Troca do soil probe ou LM-393, ou reavaliao do cdigo.

Apresenta alta sensibilidade na deteno de gua no solo.

LEDs Teste realizado

em caixa branca, verificam o funcionamento e a intensidade luminosa sem auxlio de sensor.

Funcionamento correto das, com intensidade satisfatria.

Alguns dos leds adquiridos possuem qualidade abaixo da esperada, assim

Verificao de conexes, soldas, e posterior troca de LEDs.

Apresentarem um resultado razovel.

Bomba de Irrigao

Teste realizado em caixa branca, onde, efectuam a verificao do funcionamento da bomba, accionando a mesma.

Funcionamento da bomba com presso e caudal da gua eficientes.

A bomba utilizada mostrou-se muito eficiente para a aplicao.

Troca da bomba e verificao do circuito de accionamento.

A bomba Tem presso suficiente para bombear a gua e irrigar as plantas.

Testes de programao

Teste realizado em caixa branca, modificam os limites que os atuadores devem ser accionados.

Atuadores accionados de acordo com os valores estipulados.

O programa, apesar de ainda estar na verso beta, incompleto funciona de acordo com o esperado.

Reavaliao e reconstruo do cdigo.

Ainda falta implementar algumas funes.

* Teste de caixa-branca uma tcnica de teste que usa a perspectiva interna do sistema para modelar os casos de teste. No teste de software, a perspectiva interna significa basicamente o cdigo fonte. No teste de hardware, cada n de um circuito pode ser testado. ** Teste de caixa-preta um teste de software para verificar a sada dos dados usando entradas de vrios tipos. Tais entradas no so escolhidas conforme a estrutura do programa [10]. 5. Perfazimento

Com o decorrer do projecto, analisando e repensar algumas das solues propostas no incio das actividades relacionadas ao projecto. Algumas funcionalidades foram removidas, alteradas ou adicionadas para proporcionar um melhor resultado final. No teste de prottipo verifica que no era possvel ler o caudal da gua com sensor devido a forma que o sensor foi implantado no reservatrio da gua, e ser alterado na parte dois do projecto com mais mdulos e funcionalidade.

Em relao ao hardware, foi necessrio adicionar um sensor de nvel de gua para indicar se o repositrio encontra com gua ou no. Tambm foi modificado a funo quando o repositrio encontra sem gua, no efectuar irrigao. Atravs da anlise do problema a ser resolvido, do plano de desenvolvimento, tecnologia a ser utilizada e dos testes realizados, conclu que o projecto no s solucionar o problema, mas tambm ir trazer outros benefcios aos produtores. Podemos citar como alguns desses benefcios o baixo custo de implementao, baixo consumo de energia, facilidade de utilizao, pois diminui a necessidade de servios manuais, e um possvel aumento na produtividade, e principalmente a diminuio do consumo da gua.

Integrao dos mdulos.

Teste realizado em caixa branca, onde todos os mdulos ligados juntos, e o prottipo em funcionamento por um perodo de tempo onde todas as funcionalidades ser verificadas

Funcionamento de todas as funes de acordo com a proposta.

Os mdulos funcionrio em perfeitas condies sem falhas como esperado.

Reviso dos circuitos, funes e do, conexes.

Teste ok.

Funo teste Testes realizados em caixa preta**, onde o usurio ao iniciar ou reiniciar o programa ir verificar, atravs do accionamento dos atuadores, que todos os mdulos esto funcionando correctamente.

A funo dever dar uma certeza ao usurio de que o sistema est funcionando perfeitamente.

A funo funciona perfeitamente indicando a funo que o prottipo esta a realizar conforme esperado.

Verificao da funo e posterior verificao dos mdulos individualmente.

Teste ok

6. Referncias Bibliogrficas

[1] Wikipedia - disponvel em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Umidade_do_solo Acesso em: 6 de Maro de 2014. [2] Arduino Uno. Disponvel em: http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno#.UybNyPl_uSp Acesso em: 7 de Maro de 2014. [3] Arduino Home Page. Disponvel em: http://www.arduino.cc Acesso em: 8 de Maro de 2014. [4] Soil Moisture Sensor. Disponvel em: http://www.aliexpress.com/item/10pcs-soil-hygrometer-detection-module-soil-moisture-sensor/655516331.html Acesso em: 10 de Maro de 2014. [5] BAYER, A; MAHBUB, I.; CHAPPELL, M.; RUTER, J.; IERSEL, M. Water Use and Growth of Hibiscus acetosella Panama Red Grown with a Soil Moisture Sensor-controlled Irrigation System. Department of Horticulture, University of Georgia, 1111 Miller Plant Sciences Building, The University of Georgia, Athens, GA 30602-7273, HortScience, vol. 48, 980-987, 2013. [6] Water Flow Sensor. Disponvel em: http://www.ebay.com/itm/141077925794?ssPageName=STRK:MEWAX:IT&_trksid=p3984.m1423.l2649 Acesso em: 10 de Maro de 2014. [7] MCROBERTS, MICHAEL, Arduino Bsico. 1. ed. 2011, pg 76. ISBN: 978-85-7522-274-4.

[8] Soil Moisture Sensor. Disponvel em: http://www.vernier.com/files/manuals/sms-bta.pdf Acesso em: 20 de fevereiro de 2014. [9] wiki. Disponvel em: http://www.seeedstudio.com/wiki/G3/4_Water_Flow_sensor Acesso em: 4 de Maro de 2014.

[10] Wikipedia - disponvel em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Teste_de_caixa-branca Acesso em: 14 de Maro de 2014.