UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia

Engenharia de Controle e Automação (Mecatrônica)

ADAN FELIPE BREUNIG LINN

JULIANO TOSTA FERNANDES

LEONARDO CÓRDOVA TURONES

RODRIGO RODRIGUES FERRO

ESTUFA INTELIGENTE: Sustentabilidade Automatizada

GOIÂNIA

2012

ADAN FELIPE BREUNIG LINN

JULIANO TOSTA FERNANDES

LEONARDO CÓRDOVA TURONES

RODRIGO RODRIGUES FERRO

ESTUFA INTELIGENTE: Sustentabilidade Automatizada

Trabalho de curso como parte do requisito para obtenção do título de graduação em Engenharia de Controle e Automação (Mecatrônica) apresentado à Universidade Paulista – UNIP. Orientadora: Profª Esp. Priscilla A. Juá Stecanella

GOIÂNIA

2012

ADAN FELIPE BREUNIG LINN

JULIANO TOSTA FERNANDES

LEONARDO CÓRDOVA TURONES

RODRIGO RODRIGUES

ESTUFA INTELIGENTE: Sustentabilidade Automatizada

Trabalho de curso como parte do requisito para obtenção do título de graduação em Engenharia de Controle e Automação (mecatrônica) apresentado à Universidade Paulista – UNIP.

Aprovado em:

BANCA EXAMINADORA

Profª. Esp. Priscilla A. Juá Stecanella Universidade Paulista – UNIP

Prof. Nome do Professor Universidade Paulista – UNIP

Prof. Nome do Professor Universidade Paulista – UNIP

DEDICATÓRIA

Dedicamos esse trabalho a todos os responsáveis que atuaram direta ou

indiretamente no projeto e empenharam para que este sonho se tornasse realidade.

Às mães sempre pacientes, às esposas sempre tolerantes, às namoradas

sempre um pouco intransigentes, aos pais ausentes e também aos presentes, aos

amigos de hoje, ontem e amanhã.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente a DEUS, pois sem ELE nada disso seria

possível, e posteriormente aos nossos familiares que nos apoiaram nas horas

difíceis, apoiando financeiramente e/ou psicologicamente, não nos deixando desistir

jamais. Não podemos deixar de lado os nossos colegas de curso que estudaram,

reclamaram, brincaram e ajudaram para a concretização desse sonho, e também

nossos queridos e amados professores que são os grandes responsáveis por

adquirirmos conhecimento e que tiveram muita paciência com a turma.

“Não importa o que você seja, quem você

seja, ou que deseja na vida, a ousadia em

ser diferente reflete na sua personalidade,

no seu caráter, naquilo que você é. E é

assim que as pessoas lembrarão de você

um dia”.

(Ayrton Senna do Brasil)

RESUMO

O Brasil é um país com um grande território e muitas riquezas naturais, seu clima é

muito favorável ao cultivo de várias culturas agrícolas, mas as variações climáticas

mundiais vêm se tornando um grande problema para essas culturas. Essas

variações estão se tornando cada vez mais frequentes, sejam por atuação do

homem e seu completo desinteresse ou pela “mãe natureza”, exigindo do homem

uma resposta cada vez mais rápida para um problema cada vez maior, na tentativa

de diminuir os estragos por ele feitos. É com este propósito que o objetivo deste

projeto foi criado e desenvolvido uma estufa automatizada para plantas, sejam elas

decorativas ou hortaliças para consumo, e verificar como o controle das variáveis

(temperatura, umidade, ar, água) podem influenciar na produção de alimentos tanto

para fins comerciais ou para o autossustento. A cultura plantada e utilizada para este

projeto foi a do tomate, onde foram levantados dados de plantação, manejo e cultivo,

para efeito de resultados comparativos ao final do projeto. O projeto realizado teve

caráter experimental, contendo como principais componentes para a automação do

sistema a plataforma Arduino, para controle dos sistemas embarcados, o

supervisório Elipse E3, para supervisionamento de todo o processo. Aplicaram-se

ideias de sustentabilidade já existentes, aliadas a processos automatizados

utilizados no curso de Engenharia de Controle e Automação (Mecatrônica) na cidade

de Goiânia. Ao final do projeto foram feitos testes para avaliação e verificou-se que é

possível o cultivo da cultura em estudo nessa estufa automatizada, que há um

processo sustentável e houve sim a diminuição de recursos utilizados no cultivo.

Todavia é preciso fomentar mais pesquisas para tornar o projeto viável para grandes

escalas de produção.

Palavras-chave: Estufa Sustentável. Controle e Automação. Arduino. Elipse E3.

ABSTRACT

Brazil is a country with a large territory and many natural resources, its climate is

very favorable for the cultivation of various crops, but global climate changes are

becoming a big problem for these crops. These variations are becoming increasingly

common, whether by action of man and his complete disinterest or the "mother

nature", requiring the man an increasingly rapid response to a growing problem in an

attempt to reduce the damage by he made. It is with this purpose that the aim of this

project was created and developed an automated greenhouse for plants, whether

decorative or vegetables for consumption, and see how the control variables

(temperature, humidity, air, water) can influence the production of both food for

commercial purposes or for self-support. The crop planted and used for this project

was the tomato, where data were collected planting, cultivation and management, for

purposes of comparative results at the end of the project. The project was carried out

experimentally, containing as main components for the automation system the

Arduino platform to control embedded systems, the supervisor Elipse E3, for

supervising the entire process. Applied to existing ideas of sustainability, coupled

with automated processes used in the course of Automation and Control Engineering

(Mechatronics) in Goiânia. At the end of the project were tested for evaluation, and

found that it is possible to cultivate the crop in this study greenhouse automated,

there is a sustainable process, and so there was a reduction of resources used in

cultivation. However we must encourage more research to make the project viable

for large scale production.

Keywords: Sustainable Greenhouse. Control and Automation. Arduino. Elipse E3.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Processo dentro da estufa ................................................................. 18

Figura 2 - Barras de Metalon .............................................................................. 20

Figura 3 - Estufa em formato de Capela ............................................................ 20

Figura 4 - Estufa modelo Lean-To ...................................................................... 21

Figura 5 - Estufa modelo Teto em Arco .............................................................. 21

Figura 6 - Sistema de Irrigação por Gotejamento ............................................... 24

Figura 7 - Sistema de Irrigação por Aspersão convencional .............................. 25

Figura 8 - Sistema de Irrigação por Microaspersão ............................................ 25

Figura 9 - Sistema de Irrigação por Pivô Central ................................................ 25

Figura 10 - Sistema de Irrigação por Canhão hidráulico .................................... 25

Figura 11 - Sistema de Irrigação por Sulco ........................................................ 26

Figura 12 - Sistema de Irrigação por Subirrigação ............................................. 26

Figura 13 - Sistema de Irrigação por Autopropelido ........................................... 27

Figura 14 - Sistema de Irrigação por Hidropania ................................................ 27

Figura 15 - Plataforma Arduino.... ........ ...............................................................29

Figura 16 - Arquitetura interna do Arduino ..........................................................31

Figura 17 - Pinagem do Microcontrolador Atmega328 ....... ................................32

Figura 18 - Compilador IDE Arduino .......... .........................................................33

Figura 19 - O efeito Seebeck.............................................................................. 35

Figura 20 - Estrutura física do LM35 ................................................................. 36

Figura 21 - Sistema de ligação dos pinos LM35................................................. 37

Figura 22 - Esquema geral dos sistemas de tratamento .................................... 38

Figura 23 - Cooler .............................................................................................. 39

Figura 24 - Estrutura física do Grove ................................................................. 41

Figura 25 - Estrutura física do DHT11 ................................................................ 42

Figura 26 – Relação resistividade/Temperatura e Umidade .............................. 43

Figura 27 – Resistência elétrica com aletas ....................................................... 45

Figura 28 - Tela de trabalho do Elipse E3 .......................................................... 46

Figura 29 - Desenho da estufa..... ........... ............................................................49

Figura 30 - Arquitetura de comunicação ............................................................ 50

Figura 31 - Sensores e cabos utilizados ............................................................ 52

Figura 32 - Coolers utilizados ............................................................................. 52

Figura 33 - Válvulas solenóides utilizadas ......................................................... 53

Figura 34 - Resistência Elétrica .......................................................................... 53

Figura 35 – Esquema elétrico da placa a relé .................................................... 54

Figura 36 – Esquema elétrico da placa fonte ..................................................... 55

Figura 37 - Quadro de comando com interligações ......... ...................................56

Figura 38 - Código fonte da tabela ASCII ........................................................... 57

Figura 39 - Desenvolvimento da tela de supervisão ......... ..................................59

Figura 40 - Tela de Supervisão da Estufa .......................................................... 60

Figura 41 - Vista geral do protótipo .................................................................... 63

Figura 42 - Sensor Groove enterrado no solo e mangueira de gotejamento ...... 64

Figura 43 - Válvula solenóide ............................................................................. 64

Figura 44 - Sensor DHT11 dentro da estufa....................................................... 65

Figura 45 - Cooler 1 e nebulizador ..................................................................... 65

Figura 46 - Cooler 2 e resistência elétrica .......................................................... 66

Figura 47 - Dados das variáveis (estado primário) ............................................. 66

Figura 48 - Dados após ativamento dos atuadores ............................................ 67

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Especificação técnica do Arduino...................................................... 31

Tabela 2 - Umidade de alguns produtos ............................................................ 40

Tabela 3 - Indicação de pinos e portas usadas no projeto ................................. 56

Tabela 4 - Tabela de custos do projeto .............................................................. 62

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANO - Analógico

ASCII - American Standard Code for Information Interchange

CC - Corrente Continua

COM - Communications

DHT - Digital Temperature and Humidity

DIG - Digital

EEPROM - Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory

GND - Ground

HR - Humidity resistance

ID - Identificação

IDE - Integrated Development Environment

ISO - International Organization for Standardization

MTI - Massachusetts Institute of Technology

NA - Normalmente Aberto

NF - Normalmente Fechado

NPN - Negativo-Positivo-Negativo

NTC - Negative Temperature Coefficient

OLE - Object Linking and Embedding

OPC - Ole for Process Control

OPT - One Time Programmable

PC - Personal computer

PWM - Pulse-Width Modulation

%RH – Porcentagem de umidade relativa

RH - Relative Humidity

RTD - Resistance Temperature Detector

Rx - Receptor

FTDI - Fature Technology Devices International

SRAM - Static Random Access Memory

Tx - Transmissor

USB - Universal Serial Bus

Vin - Entrada de Tensão

LISTA DE SÍMBOLOS

ºC - Grau Celsius

µA - microampére

A - Ampére

CO2 - Gás Carbônico

Hz - Hertz

K - Kelvin

Kb - Kilobyte

Lt - Litros

m - metros

mA - miliampére

MHz - Megahertz

mm - milímetros

mV - milivolts

V - Volts

Vca - Voltagem corrente alternada

Vcc - Voltagem corrente contínua

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 15

1.1 Objetivo geral ..................................................................................... ....... 15

1.2 Objetivo específico ..................................................................................... 16

1.3 Justificativa ................................................................................................ 16

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................. ....18

2.1 Estufa ......................................................................................................... 18

2.1.1 Estrutura .................................................................................................... 19

2.1.2 Tipos de Estufas ....................................................................................... 20

2.1.2.1 Estufa Tipo Capela ................................................................................. 20

2.1.2.2 Estufa Tipo Lean-To ............................................................................... 21

2.1.2.3 Estufa Tipo Arco .............................................................................. .......21

2.2 Sistema de Irrigação ................................................................................ . ..22

2.2.1 Sistema de Captação ............................................................................ ... 23

2.2.2 Tipos de Irrigação .................................................................................. ... 23

2.2.3 Sistemas de Irrigação com suas Funções e Aplicabilidade ................... ... 27

2.3 Plataforma Arduino ................................................................................... ... 29

2.3.1 Hardware ............................................................................................... ... 30

2.3.1.2 Especificações técnicas ..................................................................... ... 30

2.3.1.3 Alimentação ........................................................................................ ... 32

2.3.2 Software ................................................................................................ ... 33

2.3.3 Linguagem de Programação Processing............................................... ... 34

2.4 Sistema de Temperatura .......................................................................... .... 34

2.4.1Efeito Seebeck ....................................................................................... ... 35

2.4.2 Sensor de Temperatura: LM35 .............................................................. ... 36

2.4.2.1 Características ................................................................................... ... 36

2.4.2.2 Vantagens e Desvantagens ............................................................... ... 37

2.5 Sistema de Ventilação .............................................................................. .... 37

2.5.1 Cooler .................................................................................................... .... 38

2.6 Sensores de Umidade do Solo ................................................................. ... 39

2.6.1Sensor Groove ou Moisture Sensor ....................................................... ... 40

2.6.1.1 Características ................................................................................... ... 41

2.7 Sensor de Umidade Relativa do Ar e Temperatura .................................. .... 41

2.7.1 Sensor DHT11 ....................................................................................... ... 42

2.7.1.1 Especificações ................................................................................... ... 43

2.7.1.2 Características ................................................................................... ... 43

2.8 Válvulas Solenóides ................................................................................. ... 43

2.9 Resistência elétrica .................................................................................. ... 44

2.10 Sistema de Supervisão ........................................................................... ... 45

2.10.1 Elipse E3 ............................................................................................. .... 46

2.10.1.1 Funcionamento do Elipse E3 ............................................................ .... 46

2.10.1.2 Características ................................................................................. ... 47

2.10.1.3 Componentes supervisionados ........................................................ ... 47

2.10.1.4 Componentes lógicos ....................................................................... ... 48

3 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO .................................................... ... 49

3.1 Estrutura da Estufa ................................................................................... ... 49

3.2 Funcionamento da estufa ........................................................................ ... 50

3.2.1 Exemplificação do funcionamento ......................................................... ... 50

3.2.2 Escravo e Periféricos............................................................................. ... 51

3.3 Esquemas de ligação ............................................................................... ... 54

3.4 Protocolo de Comunicação ...................................................................... ... 56

3.5 Programação do Arduino.......................................................................... ... 57

3.6 Elipse E3 Studio ....................................................................................... ... 58

3.7 Tabela de Custo ....................................................................................... ... 61

4 TESTES E RESULTADOS ......................................................................... ....64

5 CONCLUSÃO ............................................................................................. ....68

REFERÊNCIAS .............................................................................................. ... 69

APÊNDICE ..................................................................................................... ... 71

15

1 INTRODUÇÃO

Com o aumento populacional e uma crescente migração da população para

os grandes centros urbanos, faz-se necessário o aumento da produção de

alimentos. Uma forma de aumentar essa produção é a otimização e o

aproveitamento de espaços que outrora não seriam usados na produção de

alimentos, tais como prédios, casas, restaurantes e outros espaços

subaproveitados. Com isso diminuem-se as distâncias entre o produtor,

fornecedor e o consumidor, de forma a amenizar a utilização do transporte

rodoviário, que por sua vez, prejudica o ar com emissões de gases poluidores.

Com a produção próxima aos moradores desses centros urbanos, será mais fácil

o acesso a alimentos frescos e saudáveis.

O crescimento das plantas depende de um conjunto de fatores, dos quais os

mais importantes são: temperatura, água, luz, ar e nutrientes. Dentre os nutrientes

considerados necessários (essenciais) estão o carbono que é retirado do ar, o

hidrogênio e o oxigênio que são retirados da água e, os demais, do próprio solo.

1.1. Objetivo geral

Construção de um protótipo de uma estufa que controle de forma

automatizada as intempéries dos agentes meteorológicos (ar, temperatura e

umidade). A produção de alimentos pode ser considerada diretamente proporcional

às condições climáticas, podendo ser favorável ou não.

16

1.2. Objetivos específicos

Demonstrar a utilização da plataforma Arduino e seus periféricos (sensores)

no controle e automação de todo o sistema;

Supervisionar os dados coletados pelos sensores de umidade do solo,

temperatura e umidade relativa do ar, através de um supervisório denominado Elipse

E3;

Mostrar o funcionamento do conjunto Arduino, Elipse e sensores. Este

conjunto que serve para controle, supervisão e ativação dos coolers, válvulas do

sistema e resistência elétrica, estes últimos que serão responsáveis diretos pela

mudança das variáveis climáticas dentro da estufa.

1.3. Justificativa

Atualmente no mercado existem estufas destinadas à produção de várias

culturas, e nessas estufas estão sendo usados métodos de irrigação e umidificação

sem muito controle, sem um feedback do sistema para melhor controle dos

desperdícios.

A automação que foi feita através da plataforma Arduino permite:

Menor intervenção por parte do homem, diminuindo assim a possibilidade

de erros comuns, pois é tudo automatizado;

Monitoramento 24hs, através do supervisório;

Diminuição da contratação de mão de obra, não utilizando pessoas para

a área de irrigação;

Maior produtividade e qualidade dos produtos, pois com a automação na

estufa a planta receberá aquilo de que necessita na quantidade e na hora

certa;

Diminuição dos gastos com água e energia na irrigação, pois o

gotejamento utiliza o mínimo de água possível e consequentemente

energia, que é utilizada para o bombeamento;

17

Controle de pragas, que hoje são as principais vilãs da produção,

dizimando grandes plantações, pois a estufa é vedada e tem menor

intervenção humana;

Diminuição do uso de agrotóxicos, que são utilizados para combate as

pragas, que são grandes responsáveis pelo alto custo de produção.

Desenvolvimento de um produto que possa ser prático e manuseável, e

que possa ser usado por produtores, desde o residencial ao grande

produtor.

Itens estes que geram uma grande relação custo-benefício, tanto para o

produtor, que terá seus custos reduzidos, como para o consumidor, diminuindo o

preço final do produto, e como maior beneficiário o meio ambiente, devido ao

controle de um recurso muito importante que é a água.

18

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Estufa

Estufa é um ambiente protegido que propicia um micro clima adequado ou

próximo ao ideal para o desenvolvimento das culturas. As estufas podem ser

pequenas, cobrindo somente uma bancada, ou podem ser grandes e cobrir várias

bancadas.

O objetivo de uma estufa é absorver o calor proveniente dos raios solares e

mantê-lo em seu interior, como pode ser visto na Figura 1. Além desse processo a

estufa também protege a planta contra ameaças externas, tais como: pragas,

insetos e outros. Outro fator a considerar: como a estufa é coberta, pode-se assim

controlar a umidade do solo, evitando que grandes precipitações metereológicas

encharquem o solo, atrapalhando a produção.

O calor pode ser definido da seguinte forma:

O calor é definido como sendo a forma de transferência de energia através da fronteira de um sistema, numa dada temperatura, a outro sistema (ou o ambiente), que apresenta uma temperatura inferior, em virtude da diferença entre as temperaturas dos dois sistemas. Isto é, o calor é transferido do sistema com temperatura superior ao sistema que apresenta temperatura inferior e a transferência de calor ocorre unicamente devido a diferença entre as temperaturas dos dois sistemas. (BORGNAKKE e SONNTAG, 2009, p.230).

Figura 1 - Processo dentro da estufa

Fonte: <http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAABQ9sAJ-0.png>

19

2.1.1 Estrutura

Geralmente a estrutura de uma estufa é constituída por materiais plásticos

transparentes, que permitem passar toda a radiação emitida pelo sol, fazendo um

processo de convecção térmica dentro da estufa, em que as massas de ar quente

sobem e as massas de ar frio descem. Essa massa de ar quente, ao ser elevada

para a parte superior da estufa, é impedida de se propagar para o meio externo

juntamente com a radiação infravermelha. A maioria das estufas são construídas

com barras de aço galvanizado e seu teto coberto por plástico denominado filme

agrícola, mas também existem estufas com outras estruturas e coberturas, tais como

madeira, vidro etc.

Define-se convecção térmica como:

A convecção térmica é o processo de transmissão de calor em que a energia térmica se propaga através do transporte de matéria, devido a uma diferença de densidade e a ação da gravidade. Este processo ocorre somente com os fluidos, isto é, com os líquidos e com os gases, pois na convecção térmica há transporte de matéria. (BORGNAKKE e SONNTAG, 2009, p.283).

Durante os períodos favoráveis ao cultivo, todos os agricultores plantam, o

que aumenta a oferta (oferta superior ao consumo), ocasionando uma queda de

preços, resultando em prejuízo ou lucros baixos. Mesmo durante a época normal de

plantio o produtor está sujeito a variações climáticas que de alguma forma afetam o

cultivo.

Foi em decorrência desses fatores que o homem começou a buscar soluções

para controlar o ambiente de cultivo, surgindo então os primeiros cultivos utilizando

plásticos em estufas, túneis de cultivo forçado e cobertura de solo. O uso de plástico

na agricultura teve sua expansão lenta, porém à medida que seu emprego foi sendo

ajustado, expandiu-se rapidamente, proporcionando o desenvolvimento de áreas

improdutivas.

No Brasil este processo de cobertura por plásticos nas estufas, denomina do

plasticultura, teve um grande impulso nas décadas de 70 e 80 com a produção em

grande escala de flores e nos meados de 80 é que a produção de hortaliças em

estufas tomou amplitude.

20

Na construção de alguns tipos de estufas é usado o metalon. Metalon (Figura

2) são tubos de aço laminado, leves e resistentes. Comparado com outros tipos de

modelo com composição de matérias como alumínio e ferro, o metalon tem um custo

mais favorável.

Figura 2 – Barras de Metalon

Fonte:< http://www.artigonal.com/negocios-admin-artigos/o-que-e-o-metalon-5211028.html>

2.1.2 Tipos de Estufas

2.1.2.1 Estufa Tipo Capela

O modelo de estufa tipo capela (Figura 3) é apropriado para as condições

climáticas do Brasil. Para utilizá-la em condições de trópico úmido e quente foram

adaptadas janelas do tipo advectiva (sobressalente) em suas partes frontal e

posterior. Este tipo de adaptação permite um fluxo de ar contínuo em seu interior

transportando o calor e massa para o lado externo. Esta transferência de calor e

massa tem como vantagem a utilização contínua do excesso da radiação sensível

no processo evaporativo das superfícies livres das folhas das plantas e do solo,

transportando-os para as camadas de ar mais elevadas do interior da estufa,

diminuindo a temperatura interna da estufa (endotermia) e promovendo a diminuição

da umidade (CASTRO, 2003).

Figura 3 - Estufa Tipo Capela.

Fonte: <http://www.sindicatoruralmc.com.br/calagem-adubacao-hortalicas-cultivo-protegido.html>

21

2.1.2.2 Estufa Tipo Lean-To

Esse tipo de estufa Lean-To (Figura 4), em sua essência, é um sistema

„guarda chuva‟, sendo por esta razão, apropriado para locais onde o principal fator

climático adverso é o excesso de pluviosidade. É de fácil instalação, quando

montado em sistema de uma nave simples onde possui um só ambiente. Também

pode ser instalado em módulo de naves conjugadas onde possui dois ou mais

ambientes (CASTRO, 2003).

Figura 4 - Estufa Tipo Lean-To

Fonte: <http://www.elitegreenhousesuk.co.uk/acatalog/Kensington_8.html>

2.1.2.3 Estufa Tipo Arco

Estas estufas são confeccionadas com o teto em arco (Figura 5), o que

confere maior resistência à estrutura contra ventos fortes, por causa do seu formato

não há a necessidade de cortinamento lateral. Verifica-se em regiões onde se

utilizam estes tipos de estufas, uma maior produção de alimentos comparados a

outros tipos de estruturas, portanto sendo a mais utilizada (CASTRO, 2003).

Figura 5 – Estufa Tipo Arco

Fonte: <http://www.infoteca.cnptia.embrapa.br/handle/doc/779127>

22

2.2 Sistema de Irrigação

Nota-se que a irrigação modificou o ambiente realizado pelo homem primitivo,

onde os primeiros sistemas foram bastante rudimentares, pois o manejo da água

tornou-se evidente na agricultura moderna, podendo assim as tribos nômades

estabelecem determinadas regiões a irrigação em terras férteis, garantindo uma

produtividade sustentável para seu sustento.

O desenvolvimento de civilizações antigas se deve a certos fatores, entre eles

está a irrigação, pois seu sucesso gerou um maior volume de suprimento e aumento

da população, sendo possível estabelecer uma estável alimentação e suporte

populacional.

O sistema de irrigação se baseia em técnicas agrícolas, sendo que seu

objetivo é fornecer água através de um sistema controlado, aplicando certa quantia

de água suficiente e no momento exato, garantindo assim uma produtividade

satisfatória e a sobrevivência da plantação.

O sistema de irrigação utiliza uma precisão na qual a conservação de energia e a economia de água podem alcançar uma eficiência através do aperfeiçoamento estratégico de controle. “Complementa a precipitação pluviométrica natural, e em certos casos, enriquece o solo com a deposição de elementos fertilizantes (Fertirrigação)” (MERA, s.d, p.13).

Baseado no conceito de irrigação, seus sistemas abrangem três tipos de

grupos, são eles:

Irrigação por superfície: utiliza métodos de irrigação baseado na condução de

água pelo sistema de distribuição (canais e tubulações) até um ponto de

infiltração aonde se deseja irrigar, sendo feita diretamente sobre a superfície

do solo;

Irrigação por aspersão: método de irrigação onde a água é aspergida sobre a

superfície do terreno usando como comparação a chuva, por causa do

fracionamento do jato de água em gotas;

Irrigação localizada: método onde a água é aplicada sobre a raiz da planta,

com pouca intensidade e um grau elevado de frequência.

23

Para escolher um método de irrigação deve-se levar em consideração fatores

tais como topografia (declividade do terreno), tipo de solo (taxa de infiltração),

cultura (sensibilidade da cultura ao molhamento) e o clima, desta forma, analisar

dentro do ciclo de cultura a vazão e o volume total de água disponível.

2.2.1 Sistema de captação

A captação da água pode ser feita de duas maneiras:

Bombeamento: bombeamento da fonte de água aonde se encontra em

desnível a área a ser irrigada;

Gravidade: o nível de reserva está acima da área a ser irrigada, por exemplo:

o rio, utilizando um canal para transportar a água até a área de irrigação.

2.2.2 Tipos de irrigação

Gotejamento: a água é conduzida através de uma pressão por tubos até ser

aplicada ao solo através de emissores sobre a raiz da planta, com uma alta

frequência e baixa intensidade, conforme mostrado na figura 6. Possuindo

uma eficiência de 90%, tem um elevado custo de implantação, sendo

utilizado em hortaliças e flores pelo baixo consumo de água, podendo ser

instalada na superfície ou enterrado, dependendo das análises e critérios da

cultura a ser irrigada (MERA, s.d);

24

Figura 6 - Sistema de Irrigação por Gotejamento

Fonte: <http://omarcoambiental.blogspot.com.br/2012/09/irrigacao-por-gotejamento-drip.html>

Aspersão convencional: sistema que utiliza jatos de água dispersos no ar

que caem sobre a plantação, que pode ser inteiramente móvel junto aos

seus componentes, conforme mostrado na figura 7. Seu funcionamento

convencional consiste em uma linha principal que é fixa e as laterais que

são móveis. Ele requer menor investimento, mas exige uma mão de obra

grande, devido à mudança da tubulação. Hoje é utilizado um sistema de

aspersão em malha, aonde as linhas principais e laterais são fixas, sendo

móveis somente os aspersores (MERA, s.d);

Figura 7 - Sistema de Irrigação por Aspersão convencional

Fonte: <http://www.minasbombas.com.br/servicos.htm>

Microaspersão: este método possui uma maior eficiência comparada aos

aspersores convencionais, sendo considerada uma irrigação localizada

(Figura 8), mas a vazão dos emissores é maior que a dos gotejadores

(MERA, s.d);

25

Figura 8 - Sistema de Irrigação por Microaspersão

Fonte: <www.ebah.com.br>

Pivô Central: este sistema consiste de uma tubulação metálica aonde são

instalados os aspersores, esta tubulação recebe água sobre pressão

denominada ponto de pivô, onde sua sustentação é em torres metálicas

triangulares, montada sobre rodas, sendo estas torres movimentadas por

dispositivos elétricos ou hidráulicos, descrevendo movimentos concêntricos

ao redor do ponto do pivô, conforme mostrado na figura 9 (MERA, s.d);

Figura 9 - Sistema de Irrigação por Pivô Central

Fonte: <www.ebah.com.br>

Canhão hidráulico: são de forma geral, aspersores (Figura 10) de grande

porte, por aplicar água a grandes distâncias, sendo sua eficiência

prejudicada pelo vento (MERA, s.d);

Figura 10 - Sistema de Irrigação por Canhão hidráulico

Fonte: <www.ebah.com.br>

26

Sulco: utiliza o método de irrigação de superfície (Figura 11) onde a

distribuição da água é feita por gravidade através da superfície do solo,

tendo assim um menor custo operacional, consumindo menos energia, é o

método ideal para cultivo em fileiras, podendo ser feito somente em áreas

planas, exigindo um elevado investimento e possuindo baixa eficiência

devido à escassez de água no mundo e problemas ambientais (MERA, s.d);

Figura 11 - Sistema de Irrigação por Sulco

Fonte: <www.ebah.com.br>

Subirrigação: mantém o lençol freático a certa profundidade para permitir

um fluxo de água adequado à zona radicular da planta, podendo ser

associado a um sistema de drenagem subsuperficial (Figura 12), sua

condição é satisfatória pois é o método de menor custo (MERA, s.d);

Figura 12 - Sistema de Irrigação por Subirrigação

Fonte: <www.ebah.com.br>

Auto propelido: utiliza um único canhão (Figura 13) montado em um

carrinho que se desloca longitudinalmente ao longo da área a ser irrigada,

onde a conexão do carrinho com os hidrantes da linha principal é feita por

mangueiras flexíveis, sendo que a pressão da água é proporcional a

propulsão do carrinho. Este sistema consome um maior valor de energia e é

bastante afetado pelo vento (MERA, s.d);

27

Figura 13 - Sistema de Irrigação por Auto propelido

Fonte: <www.ebah.com.br>

Hidropania: este sistema de irrigação é alimentado por um fluxo de uma

lamina de água (Figura 14), impulsionado por uma bomba de água ligado

em tubos ou caneletas e programado por um temporizador, fazendo assim

com que as plantas não utilizem a terra para sua sobrevivência (MERA, s.d).

Figura 14 - Sistema de Irrigação por Hidropania

Fonte: <www.ebah.com.br>

2.2.3 Sistemas de irrigação com suas funções e aplicabilidades

Pode-se citar suas vantagens para o plantio:

1. Qualidade em suprir a demanda e aumento de rendimento das colheitas

em tempos hídricos;

2. Uma maior exploração agrícola sem depender do regime chuvoso;

3. Permite o cultivo e a colheita de duas ou mais vezes ao ano;

4. Controle sobre as ervas daninhas;

5. A fertirrigação facilita e diminui custos à aplicações corretivas e

fertilizantes hidrossolúveis.

(CASTRO, 2003).

28

De certa forma a irrigação apresenta perigos ambientais, por isso devem ser

utilizados critérios e consciência ecológica para não causar desastres ambientais por

mau planejamento.

Quando a automação de um sistema de irrigação é bem programada, apresenta algumas vantagens em relação aos sistemas tradicionais que demandam mão de obra para serem acionados, pois além do custo de se dispor de operadores para essa função, o acionamento manual se torna irregular, permitindo que se esgote grande parcela da água disponível armazenada entre uma irrigação e outra (MACEDO et al. apud Medice, 1997, sp).

2.3 Plataforma Arduino

A Revolução Industrial trouxe benefícios para ajudar a desenvolver métodos

de trabalho mais específicos e eficientes nas grandes indústrias que hoje tem como

prioridade para seu sistema, a produção em larga escala, usando a automatização

como base sustentável. Durante esse período foram desenvolvidos dispositivos para

realizar tarefas repetitivas, já que precisavam de muita manutenção e tinham um

desgaste ao longo do tempo.

O Arduino é uma plataforma eletrônica, com controle de entradas e saídas de

dados, que através desses sistemas ligados a sensores e atuadores, consegue

responder uma ação física.

O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica open-source que se baseia em hardware e software flexíveis e fáceis de usar. É destinado a artistas, designers, hobbistas e qualquer pessoa interessada em criar objetos ou ambientes interativos. (ARDUINO, sd).

29

Na figura 15, pode-se notar a arquitetura física do Arduino.

Figura 15 – Plataforma Arduino.

Fonte: <http://projeto39.wordpress.com/o-Arduino-duemilanove/>

O projeto Arduino iniciou-se na cidade de Ivrea, Itália em 2005, por Massimo

Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino e David Mellis, com intuito de

integrar em projetos escolares com menor custo dos demais sistemas daquela

época.

Com o aumento da automação houve uma crescente demanda nos processos

industriais, precisando de uma maior aplicação de sistemas modernos com baixo

custo, gerando o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que pudessem obter

de forma rápida o processamento de dados.

Uma das alternativas foi a criação de microcontroladores para propósitos

gerais, dando uma maior flexibilidade em desenvolvimento de pequenos projetos.

O microcontrolador é composto por um processador, memórias, periféricos de

entradas e saídas, sendo programável para funções específicas, onde o

processamento de dados obtidos em um de seus periféricos tem um novo conjunto

de saída dados.

O Arduino é baseado em uma microcontrolador (ATmega328), dessa forma

pode ser programável, utilizando uma linguagem de programação Processing que é

baseada na linguagem de programação C/C++.

A linguagem C foi criada por Dennis Ritchie, em 1972, no centro de Pesquisas da Bell Laboratories. Sua primeira utilização importante foi a reescrita do Sistema Operacional UNIX, que até então era escrito em assembly. (UNICAMP, sd.)

30

A linguagem C/C++ é uma programação compilada de propósito geral,

estruturada com sintaxe como funções específicas, padronizada pela ISO.

A plataforma do Arduino é composta essencialmente por duas partes:

Hardware e Software.

2.3.1 Hardware

O Arduino Duemilanove é uma placa eletrônica que contém as seguintes

características:

14 pinos de entrada e saída digitais (dos quais 6 podem ser usados com

saída analógicas PWM);

6 pinos de entrada analógica ou entrada ou saída digital;

5 pinos de alimentação;

1 pino de reset;

2 pinos para conectar o cristal oscilador.

2.3.1.2 Especificações técnicas

Os 14 pinos de entrada e saída digitais trabalham com uma tensão de 5Vcc e

uma corrente máxima de 40mA.

Os pinos 0(Rx) e 1(Tx) são usados para receber (Rx) e transmitir (Tx) dados.

Para um melhor entendimento técnico do Arduino, a tabela 1 demonstra suas

especificações.

31

Tabela 1 - Especificação técnica do Arduino.

Microcontrolador ATmega328

Tensão de operação 5 V Tensão de entrada (recomendada) 7-12 V Tensão de entrada (limites) 6-20 V Pinos Entrada/Saída digitais 14 (6 provêm saídas PWM) Pinos de entrada analógicos 6 Corrente CC por pino Entrada/Saída 40 mA Corrente CC pino 3.3 V 50 mA Memória Flash 32 kb, sendo 2 kb utilizados pelo

Bootloader SRAM 2 kb EEPROM 1 kb Velocidade de Clock 16 MHz Fonte: <http://Arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno>

Nas figuras 16 e 17 podemos observar a arquitetura interna de um

microcontrolador e as suas pinagens de identificação.

Figura 16 – Arquitetura interna do Arduino.

Fonte:<http://www.robotizando.com.br/curso_Arduino_hardware_pg1.php>

32

Figura 17 - Pinagem do Microcontrolador ATmega328.

Fonte:<http://linuxresort.blogspot.com.br/2011/12/atmega-328-na-protoboard.html>

2.3.1.3 Alimentação

O Arduino pode ser alimentado pela conexão USB ou por qualquer fonte de

alimentação externa. A alimentação externa pode ser uma fonte ou uma bateria, a

fonte pode ser conectada com um plug de centro positivo no conector de

alimentação e a bateria pode ser conectada nos pinos GND (Terra) e Vin (Entrada

de tensão) situados na placa do Arduino.

A placa pode ser alimentada com uma tensão de 6 a 20Vcc, mas o

recomendado é se trabalhar com no máximo 12Vcc e mínimo de 7Vcc, este último

para garantir pelo menos 5Vcc em todo o sistema.

Os pinos de energia são os seguintes:

Vin: a tensão de entrada para a placa Arduino quando se está usando

uma fonte de energia externa (ao contrário de 5Vcc a partir da conexão

USB ou outra fonte de alimentação regulada);

5V: alimentação regulada usada para alimentar o microcontrolador e

outros componentes da placa e também sensores e periféricos do

sistema;

3V3: 3,3Vcc gerado pelo chip FTDI de bordo. Consumo de corrente

máxima é de 50 mA;

GND: pinos de aterramento.

33

O Arduino Duemilanove tem um polifusível que é um fusível reajustável que

protege as portas USB do seu computador de uma sobrecorrente. Embora a maioria

dos computadores forneça sua própria proteção interna, o fusível fornece uma

camada extra de proteção. Se houver mais de 500 mA aplicada à porta USB, o

fusível rompe automaticamente a ligação até que a curto ou a sobrecarga seja

removida.

2.3.2 Software

O software a ser inserido na placa do Arduino deve utilizar-se de um IDE

(Integrated Development Environment - Ambiente de desenvolvimento integrado)

conforme figura 18, sendo que o compilador utilizado é C/C++ (avr-g++). Depois de

ter criado o programa e compilar, o código gerado é gravado no microcontrolador

ATmega 328.

Compilador é o programa responsável por pegar um código escrito em uma determinada linguagem e reescrever o mesmo código em outra linguagem, com a mesma função. No caso do Arduino, a função do compilador é reescrever um código escrito em C/C++ e reescrever o código em binário Atmel AVR. (KEMPER, 2011).

Figura 18 – Compilador IDE Arduino.

Fonte: <http://techne.cesar.org.br/iniciando-com-Arduino/>

34

2.3.3 Linguagem de Programação Processing

Processing é uma linguagem de programação de código aberto e ambiente

de desenvolvimento integrado (IDE), criado para projetos de comunidades de

designers visuais com o objetivo de ensinar noções básicas de programação de

computador em um contexto visual. O projeto foi iniciado em 2001 por Casey

Reas e Ben Fry, ambos ex-membros do Grupo de Computação do MIT Media Lab.

Um dos objetivos do Processing é atuar como uma ferramenta para aqueles

programadores que são iniciantes, por ter uma visualização muito simples e limpa. A

linguagem tem por base as capacidades gráficas da linguagem de programação

Java, simplificando características e criando algumas novas.

2.4 Sistema de Temperatura

A abordagem deste tópico está aplicada na medição granular de escalas

termais a fim de conseguir uma exatidão da temperatura ambiente de uma estufa,

nas quais sua importância é amenizar a perda de nutrientes e ganho na fotossíntese

para a sobrevivência das plantas existentes no recinto.

Para compreender o conceito de temperatura, primeiramente devemos dar um

caráter quantitativo à diferença entre frio e quente, para aprender a medir uma

temperatura de um corpo antes de entender a sua natureza física.

A temperatura pode ser vista como um indicador da energia cinética molecular média de um corpo. No entanto, só a energia cinética de translação contribui para a grandeza temperatura, aspecto que por vezes não é referido. (ANACLETO apud Tipler, 1994, sp).

O homem através do seu tato descobre que o mundo físico que o rodeia traz

a ele a primeira noção de temperatura, onde um sistema é determinado a partir da

sensação térmica sendo compreendida por frio, quente, morno. Por este motivo

surge a necessidade de criar um instrumento normatizado para medir a temperatura,

sendo ele assim chamado de termômetro. O termômetro tem uma dependência com

a temperatura em certas propriedades como volume, pressão, resistência elétrica,

variação de cor, etc.

35

Com a variação de tipos de termômetros onde se varia a exatidão, o método,

a medição, cada tipo dependerá da sua aplicação.

As escalas de temperatura estão estabelecidas em correlações entre métodos

utilizados, países onde são empregadas, podendo assim estabelecer uma medição

exata por cálculos entre as escalas Fahrenheit, Kelvin e Celsius.

A fim de se medir temperaturas com uma maior precisão e em locais

inacessíveis ao homem, foram criados métodos e sistemas capazes de receber

informações de temperatura e mostrar ao operador uma leitura direta e fácil de

acesso, para que ele possa agir de tal forma em um sistema de medição com

temperaturas variando entre pontos críticos e elevados. Desta forma, foram

desenvolvidos sensores de temperatura nas várias formas e propriedades de

trabalho, para reduzir mão de obra, tempo de operação, riscos e custos.

2.4.1 Efeito Seebeck

A descoberta da existência de corrente termoelétrica levou Thomas Seebeck

a observar efeitos eletromagnéticos associados a circuitos de bismuto/cobre e

bismuto/antimônio. Esta experiência (figura 19) mostrou que duas junções de dois

metais distintos formavam um circuito fechado onde submetido a temperaturas

diferentes geram uma força eletromotriz, originando uma corrente contínua no

circuito. Uma diferença de potencial elétrico surge entre dois pontos através da

variação de temperatura de um condutor ou semicondutor, podendo assim dizer que

um gradiente de temperatura em um condutor origina um campo elétrico, dando

assim a origem do fenômeno Efeito Seebeck.

Figura 19 - O efeito Seebeck

Fonte: <http://sigarra.up.pt/up/pt/up_pesquisa.pesquisa?pv_pesq=efeito+seebeck>

36

2.4.2 Sensor de Temperatura: LM35

O LM35 (figura 20) é um dispositivo eletrônico composto por circuitos

integrados, fabricado pela National Semiconductor, cuja característica apresenta

uma saída de tensão linear relativa à temperatura. O LM35 pode ser aplicado

facilmente da mesma maneira como outros sensores de temperatura.

Quando for alimentado com uma tensão apropriada, o sensor apresenta

vantagem sobre os sensores de temperatura calibrados em Kelvin, pois não precisa

de nenhuma subtração de variáveis para obtenção em escala Graus Celsius. Seu

funcionamento é básico, para cada 10mV variando na saída, representa um grau

Celsius (ºC).

Figura 20 – Estrutura física do LM35.

Fonte: <http://tutorial.cytron.com.my/2011/08/09/project-5-%E2%80%93-analog-sensor-temperature-using-lm35/>

2.4.2.1 Características

Conforme esquemática de ligação (figura 21):

Saída com baixa impedância;

Opera entre -55 ˚ a 150 ˚C;

Precisão de ±0, 5°C;

Consumo de ate 60µA;

Tensão de alimentação 4-30Vcc;

Sua escala de variação é de 10mV/ ˚C.

37

Figura 21 – Sistema de ligação dos pinos LM35.

Fonte:<http://baudaeletronica.blogspot.com.br/2010/11/lm35-sensor-de-temperatura.html>

2.4.2.2 Vantagens e Desvantagens

Baixo custo;

Aplicabilidade em diversos sistemas;

Não opera em lugares com muita umidade;

Frágil.

2.5 Sistema de Ventilação

A ventilação em uma estufa consiste em substituir o ar quente do interior do

mesmo por outra massa de ar mais fria, isto ajuda na temperatura de ar de

regulamento. A ventilação é importante, pois o ar parado pode causar doenças e, ao

mesmo tempo, modifica a umidade e a concentração de gases.

Como as plantas precisam CO2 no seu processo, o ar deve sempre estar

renovado. Por isso uma boa ventilação ajuda a planta a alimentar-se, pois precisam

transpirar pelas folhas para sugarem pelas raízes. As vantagens e desvantagens da

ventilação podem ser descritas abaixo.

Vantagens:

Baixo custo de aquisição;

Baixa manutenção;

Baixo consumo de energia;

Retira odores, fumaça, pó etc.

38

Desvantagens:

Aumento do ruído;

Não diminui a temperatura do ambiente.

O primeiro ventilador foi inventado nos Estados Unidos da América em 1882

pelo engenheiro americano Schuyler Skaats Wheeler, foi criado para usar em cima

de uma mesa e possuía duas lâminas. A inversão obteve sucesso e passou a ser

produzido a nível industrial. A figura 22 mostra um esquema de ventilação:

Figura 22 - Esquema geral dos sistemas de tratamento

Fonte: <http://www.scielo.br/img/revistas/pab/v34n4/8698f1.gif>

2.5.1 Cooler

Quando o homem inventou o computador, ao longo do tempo foi se

observando que seus componentes eletrônicos como os processadores, o cérebro

do computador, sofria uma alta perca nos seus processamentos de dados, devido ao

aquecimento pela grande transição de energia elétrica efetuada pelo processador,

pois os materiais que compunham o sistema aplicavam uma grande resistência à

passagem de corrente.

Para evitar a queima ou danos neste equipamento, foi implementado de forma

simples e eficaz, um sistema de refrigeração, que no caso usado é o cooler, que

significa refrigeração na sua tradução para o português. Pois se necessitava uma

solução para o arrefecimento da temperatura do processador em um nível aceitável.

39

O cooler (Figura 23) é um componente eletrônico formado por aletas ou pás,

que por sua vez, estão diretamente ligadas ao deslocamento de ar, feita quando o

cooler está em funcionamento, e um embobinamento elétrico, pois é um motor

elétrico de forma especifica, quando ligado a uma tensão seja ela continua ou

alternada, cria-se um campo magnético em seu estator que induz uma corrente no

rotor, fazendo assim o giro do mesmo.

Figura 23 – Cooler. Fonte: < http://santoandre.olx.com.br/cooler-ventilador-dm-120-mm-110v-iid-307598841>

2.6 Sensor de umidade do solo

O solo atua como um reservatório de água, influenciando no crescimento das

plantas, sendo assim o sensor de umidade do solo é importante para controlar o

nível de irrigação, informando se a plantação está precisando ou se está com

excesso de umidade. Tendo esses valores podo-se ter uma melhor eficiência para

cada produto. Na tabela 2 tem alguns exemplos de valores de umidade para cada

produção.

40

Tabela 2 - Umidade de alguns produtos

Produto Umidade

Tomate e pimenta 50-60%

Berinjela 50-60%

Melão e acelga 60-70%

Feijões 60-75%

Alface 60-80%

Melancia 65-75%

Ervilhas 65-75%

Aboborinha e aipo 65-80%

Morangos 70-80%

Pepino 70-90%

Fonte: <http://www.solerpalau.pt/formacion_01_39.html>

Por ser inibidora de gastos com água e energia elétrica, e por prevenir doenças, o monitoramento da umidade do solo tem sido cada vez mais importante na agricultura. Ao conhecer a quantidade de água disponível no solo, o produtor rural pode irrigar somente quando for necessário. Mais importante ainda do que isso, é que ele terá a possibilidade de ter um estudo diferenciando das áreas dentro de sua propriedade, mostrando quais tem maior facilidade ou dificuldade de reter água. Este acompanhamento evita a incidência de doenças na plantação, decorrente da quantidade de água aplicada na plantação. (BANDERALT, sd.)

A porcentagem de umidade do alimento (%U) relaciona-se com a quantidade

de água disponível nele existente. É possível determinar a quantidade de água que

foi removida ou adicionada a um produto quanto se tem o conhecimento da sua

umidade inicial e final, após a modificação de seu estado. O teor de umidade

corresponde à perda em peso sofrido pelo alimento quando aquecido em condições

nas quais a água é removida.

2.6.1 Sensor Groove ou Moisture Sensor

Este sensor de umidade pode ler a quantidade de umidade presente no solo

ao seu redor. É um sensor de baixa tecnologia, mas ideal para monitoramento de

um jardim urbano.

O sensor Groove (figura 24) utiliza duas sondas que conduz a corrente

através do solo e, em seguida, lê-se a resistência para obter o nível de

umidade. Com mais água no solo, fica fácil a condução de eletricidade (menor

resistência), enquanto o solo seco conduz pouca eletricidade (maior resistência).

41

Este sensor trabalha imerso na terra em contato direto com a água, por essa

combinação o sensor possui um revestimento banhado à ouro para evitar com o

tempo a oxidação.

Figura 24 – Estrutura física do Groove.

Fonte:<http://www.robotshop.com/seeedstudio-grove-moisture-sensor.html>

2.6.1.1 Características

Fonte de alimentação: 3.3Vcc ou 5 Vcc

Sinal de tensão de saída: 0 ~ 4.2Vcc

Corrente: 0 - 35mA

Pino definição:

o Saída analógica (cabo amarelo)

o GND (cabo preto)

o Alimentação (cabo vermelho)

Tamanho: 60x20mm

Revestimento de superfície: ouro de imersão

2.7 Sensor de Umidade Relativa do Ar e Temperatura

Para a determinação da porcentagem de água existente no ar, o homem

desenvolveu vários métodos de cálculos e componentes físicos para a leitura da

umidade relativa. Uma das matérias que podem decompor esta estrutura em forma

de cálculo é a Química e a Energia, onde os cálculos são feitos em referência às

moléculas de oxigênio e nitrogênio presentes no ar, fazendo assim uma

42

decomposição percentual de cada elemento presente no ar, de tal forma a saber,

qual a porcentagem de moléculas existentes naquele ambiente. Veremos a seguir

um dos componentes eletrônicos capazes de medir a porcentagem de umidade

existente no ar e a leitura de temperatura, a qual influencia diretamente na

quantidade de umidade no ar.

2.7.1 Sensor DHT11

O DHT11 (figura 25) é um sensor de temperatura e umidade com uma saída

digital, que garante uma alta confiabilidade e estabilidade em longo prazo. O sensor

de temperatura possui um termistor do tipo NTC, que possui um diferencial por ser

mais sensível a variações de temperatura, comparado aos RTDs e os termopares, e

o sensor de umidade é do tipo HR202 que inclui um elemento de resistividade,

juntos possuem um circuito interno que faz a leitura dos sensores e se comunica a

um microcontrolador através de um sinal serial de uma via.

O sensor DHT11 tem uma decadência em relação à precisão de temperatura

e umidade, mas em relação a outros sensores tem baixo custo o que é favorável.

Figura 25 – Estrutura física do DHT11.

Fonte:<http://www.dfrobot.com/wiki/index.php/DHT11_Temperature_and_Humidity_Sensor_%28SKU:_DFR0067%29>

A figura 26 mostra a relação entre resistividade e os fatores de umidade e

temperatura, vimos que quanto menor a resistividade, maior será o fator %RH e a

temperatura indicada pelo sensor.

43

Figura 26 – Relação resistividade / Temperatura e Umidade

Fonte: <http://www.openimpulse.com/blog/wp-content/uploads/wpsc/downloadables/HR202 datasheet.pdf>

2.7.1.1 Especificações

Tensão de Alimentação: 5Vcc;

Range de Temperatura: 0-50 °C, com precisão de ±2 °C;

Umidade: 20-90% RH, com precisão de ±5 RH.

2.7.1.2 Características

Este sensor possui características bem precisas de calibração em sua câmara

de umidade, esta que fica na memória do programa OTP. A característica física do

sensor possui um fio de comunicação, para tornar tudo mais rápido e fácil. Por ser

de forma pequena, ter baixo consumo e transmite sinais até 20 metros.

2.8 Válvulas Solenóides

Atualmente nos processos de automação industrial são utilizados sistemas que

manipulam fluidos, sejam líquidos ou gases, onde existem válvulas com dispositivo

de automação ou segurança. Essas válvulas são chamadas de solenóides.

44

Solenóides são dispositivos eletromecânicos baseados no deslocamento causado pela ação de um campo magnético gerado por uma bobina e são muito utilizados na construção de outros dispositivos, como é o caso das válvulas para controle de fluidos. (GIROTO E SANTOS, 2002, p.842).

Através de uma alimentação seja ela de Vca ou Vcc, a válvula solenoide é

acionada para efetuar uma determinada ação física.

2.9 Resistência Elétrica

O homem de forma inteligente desenvolveu maneiras de sobreviver ao frio

exercido pela natureza, e uma destas formas foi a criação do fogo, proveniente da

queima de matérias compostos por oxigênio e hidrogênio, como exemplo a madeira.

Através da queima destas matérias, é liberado de forma luminosa e quente, o fogo,

que libera calor por processo de convecção, aquecendo um determinado objeto, no

caso o homem.

Diante desse invento, e ao longo da sua existência, o homem criou métodos

artificiais, para recriar o fogo e o calor, sendo o mais utilizado para o aquecimento de

ambientes. A criação de componentes elétricos, como a resistência elétrica (Figura

27), faz uma imitação de calor, proveniente da energia elétrica, que hoje é uma das

mais utilizadas pelo ser humano.

A resistência elétrica é uma grandeza física que relaciona a impedância

sofrida pelos elétrons em movimentação, sujeitos à ações de um campo elétrico, ao

percorrer de um ponto a outro em um objeto, tendo dependência nas dimensões e

composição de material que é constituído. Portanto, resistividade é uma propriedade

de matéria, como exemplo o índice de refração, calor específico, densidade, etc.

Podemos definir a resistência entre dois pontos quaisquer de um material isotrópico, aplicando-se uma diferença de potencial, entre estes pontos e medindo a corrente elétrica que flui entre eles. (GIROTTO e SANTOS, 2002, p.640).

Existem vários métodos descritivos que podem ser usados para cálculos e a

determinação da resistividade elétrica cc (corrente continua) ou ca (corrente

alternada) em sólidos. Essa diferenciação entre ambas está ligada a excitação de

um campo elétrico cc e ca.

45

Figura 27 – Resistência elétrica com aletas. Fonte: < http://www.eltra.com.br/v3/tela_diversas.html>

2.10 Sistema de Supervisão

Para o controle de dados e amostragem de um sistema qual seja ele, se

necessita de um aplicativo que leia e interprete a ocorrência de mudanças físicas e

naturais. Devido a distância do controle de comando e os periféricos, o homem criou

uma maneira mais prática e fácil de comunicar visualmente as ocorrências externas

de um sistema ou ambiente, diminuindo tempo e gastos econômicos, visando uma

maior resposta de dados.

Essas informações são coletadas e em seguida manipuladas, analisadas e

consecutivamente mostradas a um usuário. Este sistema permite informações

constantes do processo industrial, monitorando sinais de medições de dispositivos,

mostrando ao operador de forma clara e com recursos gráficos e conteúdo

multimídia.

Dentre os supervisórios utilizados nas indústrias de todo mundo, destacamos

a ELIPSE SOFTWARE, empresa que desenvolve ferramentas para gerenciamento

em tempo real de sistemas indústrias.

46

2.10.1 Elipse E3

Este software (figura 28) possui um sistema de supervisão com um controle

de processos nos requisitos conectividade, flexibilidade e confiabilidade. A

arquitetura de operação possui um sistema com multicamadas, oferecendo assim

um rápido desenvolvimento de aplicações com alta comunicação e expansão, para

uma segurança dos investidores. Tendo uma comunicação abrangente, possui

protocolos e equipamentos para todos os sistemas tais como geográficos com boa

distribuição.

Figura 28 – Tela de trabalho do Elipse E3

Fonte: Software ElipseE3

2.10.1.1 Funcionamento do Elipse E3

O sistema identifica os dados dos Tags, este que possui as variáveis

numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, e executam funções

computacionais como cálculos matemáticos, lógicas, também podendo ser pontos

de entrada e saída de dados que estão em controle. Essas variáveis correspondem

ao processo real (ex: temperatura, nível, entre outros), que estão ligadas entre o

controle e o sistema, são com base nestes valores dos Tags que os dados são

apresentados ao usuário.

47

2.10.1.2 Características

Servidores robustos que coletam, processam e distribuem dados de

diversas fontes em tempo real;

Arquitetura distribuída e redundante de fácil configuração;

100% Internet-ready, com interface de operação independente (thin-clients),

através do E3 Viewer, Internet Explorer ou Windows Terminal Services;

Orientação total a objetos: uso intensivo de bibliotecas do usuário, com a

criação de galerias e templates de objetos gráficos e estruturas de dados,

que podem se adaptar a qualquer aplicação;

Extensa biblioteca com mais de 3 mil símbolos gráficos vetoriais;

Configuração on-line;

Bancos de dados abertos: o Elipse E3 não utiliza formatos proprietários;

Poderosa ferramenta de relatórios incluída;

Completo gerenciamento de alarmes e eventos;

OPC (OLE for Process Control) cliente e servidor;

Historiador do processos E3 Storage;

Suporte nativo a componentes ActiveX, com integração de métodos,

eventos e propriedades.

Redundância nativa entre servidores de fácil configuração.

Completo módulo de relatórios.

Fonte: <http://www.elipse.com.br/port/e3.aspx>

2.10.1.3 Componentes supervisionados

Podem ser resumidos em:

Sensores e Atuadores: dispositivos que convertem parâmetros físicos para

sinais analógicos e digitais;

Rede de Comunicação: plataforma de informações dos Controladores (ex:

CLP, ARDUINO) entre o Elipse E3;

48

Estações Remotas: controle de dados e aquisição de informações

remotas;

Monitoração Central: unidades responsáveis pelo armazenamento de

informações geradas pelas estações remotas.

2.10.1.4 Componentes lógicos

O Elipse E3 divide as principais tarefas em blocos ou módulos, que garante

uma maior ou menor flexibilidade e robustez conforme a solução desejada.

O funcionamento de um sistema inicia através da comunicação de

equipamentos de campo, onde suas informações são enviadas para o núcleo do

software, sendo o núcleo responsável pela distribuição de informações para os

módulos, onde será mostrada na interface gráfica para o operador.

Núcleo de Processamento;

Comunicação com equipamentos remotos;

Gerenciamento de Alarmes;

Histórico e Banco de Dados;

Lógica de programação interna ou controle;

Interface gráfica;

Comunicação com Sistemas Externos.

49

3 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO

Este capítulo aborda o processo de desenvolvimento e construção do

protótipo, demonstrando a sua estrutura, componentes eletrônicos, sensores,

hardware, software, supervisório e outros.

3.1 Estrutura da Estufa

Há vários tipos de estufas, mas neste projeto especificamente foi utilizado a

estufa tipo arco, pois ela confere maior resistência do filme agrícola (plástico) ao

vento. Claro que o posicionamento da estufa também tem que ser bem estudado,

pois influencia diretamente na proteção de ventos fortes. Os arcos e a estrutura

foram confeccionados em barras de metalon , suas dimensões de construção foram

de 1200 x 800 x 1800 mm (comprimento x largura x altura) conforme figura 29. Para

cobertura lateral e do teto foram colocadas chapas de acrílico, com dimensões de

1200 x 600 x 0,6 mm (comprimento x largura x altura), fixadas com fita dupla face e

barras de alumínio, conferindo uma melhor fixação e consequentemente um melhor

acabamento.

Figura 29 – Desenho da estufa

Fonte: Software Solid Edge

50

3.2 Funcionamento da estufa

Para o controle das variáveis internas da estufa foram utilizados meios de

comunicação do Arduino com o supervisório e também com periféricos. Para um

maior entendimento do processo de controle e funcionamento, são demonstradas

suas interligações e serventias.

3.2.1 Exemplificações do funcionamento.

O funcionamento se dá através da interligação de sistemas denominados

mestre e escravos, em ambientes de supervisão.

A comunicação, que é feita através de cabo USB, entre o computador que

armazena o supervisório e a plataforma Arduino que processa os dados recebidos

dos seus periféricos, formam um conjunto de monitoramento de dados e decisões a

serem interpretadas de forma descritiva. Na figura 30 é demonstrado toda a

esquemática.

Figura 30 - Arquitetura de comunicação.

O Arduino é incorporado como mestre no sistema, sendo assim o cérebro do

sistema de comando, formalizando as tomadas de decisões dos dados interpretados

que são processados e executados por listas de instruções, dando uma saída final

para os periféricos. Os periféricos são denominados escravos, pois são

51

subordinados ao processador do Arduino (ATmega 328), e são divididos em duas

partes, a primeira chamada de sinais de envio de dados e a segunda chamada de

sinais de recebimento de dados.

3.2.2 Escravos e Periféricos

Os sensores fazem parte dos chamados de sinais de envio (figura 29), pois

são eles os responsáveis pela leitura das variáveis que são: temperatura, umidade

do ar e umidade do solo. Essa leitura feita por cada componente envia um sinal para

o Arduino, no qual toma as seguintes decisões:

1. Sensor de Temperatura LM35: este sensor capta a variação de calor do

ambiente externo, para efeitos estatísticos e envia para o Arduino em forma

de sinal analógico de tensão, interpretado e demonstrado na tela do

supervisório.

2. Sensor de AR e Temperatura DHT11: em um mesmo encapsulamento

abrigam-se a captura da variação de temperatura e de umidade relativa do

ar. O sensor envia sinais constantes para o Arduino que são repassados

para o supervisório para monitoramento, quando a variação da umidade

relativa do ar variar fora da escala pré-programada de temperatura e

umidade do ar, o Arduino, através do programa contido em seu

microcontrolador, interpreta, compara e executa as seguintes funções:

quando a temperatura dentro da estufa se elevar acima de 30 ºC e umidade

relativa abaixo de 50%RH, o resfriamento e umidificação da estufa será

através de dois coolers e um nebulizador, este último através de uma

válvula solenóide. Os dados específicos das variáveis citadas e também os

acionamentos dos coolers e da válvula são mostrados na tela de

supervisão.

3. Sensor de Solo Groove: seu funcionamento se dá através da variação da

umidade no solo, que por sua vez varia de acordo com a resistividade do

solo, quanto maior a presença de água menor será a resistividade e quanto

menor a presença de água maior a resistividade. O sensor envia sinais

52

analógicos de tensão ao Arduino contendo estas informações de

resistividade, que alimenta o supervisório com os respectivos dados.

Quando a umidade do solo, exigida pela hortaliça (no caso o tomate), for

menor que a desejada (50%), a válvula solenóide responsável pelo

gotejamento é ativada permitindo o fluxo de água para os gotejadores,

umidificando o solo.

Figura 31 - Sensores e Cabos utilizados.

Os periféricos (saída) de mudança de estado (figuras 32 à 33) fazem parte

dos chamados de sinais de recebimento, pois eles só serão ligados quando for

preciso, tendo como base o requerimento dos parâmetros de leituras, os sensores.

Estes estão divididos em:

1. Coolers (Max Flow): está compreendido no sistema de ventilação da estufa,

no intuito de movimentar o ar para a refrigeração do ambiente, quando o

Arduino interpreta uma condição, um sinal será enviado ao relé e ele

acionara os coolers (220Vca).

Figura 32 - Coolers utilizados.

53

2. Válvulas solenóides (220Vca): estes componentes são usados no sistema

de irrigação, com o intuito de controlar a passagem do fluxo de água e

disponibilizar aos gotejadores e ao nebulizador a água requerida pela

instrução feita pelo Arduino, água proveniente da captação por gravidade.

Figura 33 - Válvulas Solenoides utilizadas.

3. Resistência elétrica (500W, 220Vca): utilizada neste sistema para o

aquecimento do ambiente interno da estufa em casos de temperaturas

abaixo das especificações da planta escolhida. Quando o sensor DHT11

enviar valores abaixo do especificado na programação, o Arduino envia um

sinal para a respectiva saída digital que ativa o cooler e a resistência para o

aquecimento do ambiente interno da estufa, voltando ao seu estado

primário, ou seja, desligado, ao atingir a temperatura necessária para a

hortaliça, este processo de desligamento também ocorre pela interpretação

e também envio de um sinal pelo Arduino.

Figura 34 - Resistência Elétrica

54

3.3 Esquemas de ligação

Para o sistema de ligações foram utilizados: software (Proteus) para o

desenho técnico das interligações, esquemático das placas e também sistemas de

cores para identificação para ligações dos componentes.

Foram construídas placas contendo um sistema de proteção das saídas

digitais do Arduino e para acionamento dos periféricos que necessitam de 220 Vca

de tensão. Acionamento este feito através de relés contidos na placa (Figura 35).

Figura 35 – Esquema elétrico da placa a relé.

Cada placa possui 4 relés, que comutam da seguinte forma:

O Arduino envia um sinal (5 Vcc) pela saída digital, que passa por um

sistema de proteção contendo um resistor e um transistor NPN,

liberando a tensão de 12 Vcc que energizará a bobina interna do relé,

comutando e liberando a tensão de 220 Vca necessária para o

funcionamento dos periféricos (válvulas, coolers e resistência) de acordo

com a necessidade do sistema.

Foi construída também uma placa fonte (Figura 36) que fornece a tensão

necessária para o funcionamento de todo o sistema.

55

Figura 36 – Esquema elétrico da placa fonte.

Foi empregado no sistema uma plataforma Arduino para o controle e

processamento de dados, duas placas a relé, para comando de força e uma placa

fonte, para alimentação do sistema, conforme figura 37.

A alimentação deste sistema será feita da seguinte forma:

1. Arduino:

Alimentação: 5 Vcc; 1A

Pino de ligação: 7 (Vcc) ; 8 (GND)

2. Fonte de alimentação:

Alimentação: 220 Vca; 1A

Saídas: 5/12 Vcc

3. Placas a relé:

Acionamento: 12 Vcc (Pino 30, Comum)

Alimentação: 220 Vca (Pino 86 +, Pino 85 terra)

Saídas: 87A NA e 87 NF

56

Figura 37 - Quadro de comando com interligações.

Fonte: Dados primários

Na tabela 3 demonstraremos as ligações referentes a cada pino do Arduino

juntamente com suas conexões referente a placas e ao computador.

Tabela 3 – Indicação de pinos e portas usadas no projeto

Nº do Pino Nome Função Conexão

23 ANO 0 Leitura da Temperatura Interna e Umidade Relativa

DHT11 (Cabo Azul)

24 ANO 1 Leitura Temperatura Externa LM35 (Cabo Amarelo) 25 ANO 2 Leitura Umidade do Solo Groove (Cabo Verde) 14 DIG 8 Habilitação Cooler 1 Rele 1 (Pino 30) 15 DIG 9 Habilitação Cooler 2 Rele 2 (Pino 30) 16 DIG 10 Habilitação Resistência Rele 3 (Pino 30) 17 DIG 11 Habilitação Válvula 1 Rele 4 (Pino 30) 18 DIG 12 Habilitação Válvula 2 Rele 5 (Pino 30) 7 VCC Alimentação 5 V Fonte 8 GND Aterramento Negativo Fonte 2 e 3 0(Rx)

1(Tx) Recebimento e Transmissão de Dados

Porta USB PC

3.4 Protocolo de Comunicação

Para a comunicação entre sistemas de comando e supervisão são usados

métodos de controle e protocolos de identificação.

A comunicação usada neste protótipo entre supervisório e Arduino foi o

protocolo ASCII.dll, utilizando sua tabela de funções para cada objeto de interligação

ao Arduino. Os dados enviados e recebidos pelo Arduino ao supervisório são

Placas a relé

Plataforma Arduino

Placa Fonte

57

transmitidos via cabo USB, pela porta COM 15 com velocidade de comunicação

serial BAUDE RAUTE de 9600.

Na figura 38 podemos ver as propriedades da tabela ASCII, para obtenção

das instruções que podem ser utilizadas na programação e comunicação do Arduino

e supervisório.

Figura 38 - Código fonte da tabela ASCII.

Fonte:<http://www.asciitable.com/>

3.5 Programação do Arduino

Os métodos de controle das variáveis supervisionadas foram feitas pela

programação (APÊNDICE) Processing baseada na linguagem C/C++, utilizando

funções de comando, as principais instruções são descritas abaixo:

IF: instrução se;

ELSE: instrução senão;

FOR: instrução para;

DELAY: instrução de tempo;

58

WHILE: instrução enquanto;

RETURN: instrução de retorno;

SETUP: instrução de chamada de tela, e é executada somente uma vez no

início do programa;

LOOP: é a função principal do programa e executa continuamente enquanto

o Arduino estiver ligado.

3.6 Elipse E3 Studio

Para a interação do sistema interno da estufa e o homem, foi aplicado o

software Elipse E3 para um feedback das leituras sensoriais e periféricos

acionadores, mostrando em telas de animação, os dados transmitidos pelo Arduino.

O desenvolvimento da tela de supervisão se decorreu através do seguinte

princípio aonde se necessitava de uma visualização dos dados lidos pelos sensores

dentro da estufa, para averiguação do funcionamento e parametrização das escalas

de cada sensor, com o range determinado a cada um pela especificação da

agricultura do tomate.

As especificações do cultivo do tomate empregadas neste projeto foram

baseadas em sites de agronomia como o Embrapa, com as seguintes exigências:

Clima:

Temperatura entre 18 °C a 34 °C, com média de 20,5 °C;

Umidade Relativa de 54% em média;

Irrigação com eficiência de 50% a 70%;

São com estes números que foi desenvolvido a programação do Arduino e os

Tags do supervisório, com os ranges pré-determinados.

O software Elipse foi escolhido para supervisório por ser de extensão demo e

utilizado no curso de Engenharia de Controle e Automação, optamos pela escolha

devido à facilidade no seu desenvolvimento e interação, e também por não requerer

uma licença paga para seu uso.

Para se criar um supervisório no Elipse E3, é utilizado o módulo E3 Studio

(figura 39), aonde são configurados as ferramentas de uso, como inclusões de

59

gráficos, scripts, imagens, entre outros. Primeiramente deve ser criado um domínio

de alocação de banco de dados, aonde são armazenadas as informações de

configuração, lista de arquivos, servidores e segurança.

Figura 39 - Desenvolvimento da tela de supervisão

Fonte: Software Elipse

O software de supervisão utiliza Tags de comunicação entre as variáveis

transmitidas pelo Arduino, essas que são definidas como endereçamentos de

memória. As Tags utilizadas neste supervisório estão compreendidas em:

Tag Analógica: para leitura de comunicação dos sensores.

Criação de variável (Endereçamento – Nome da Tag):

o ID 000 – ANO0

o ID001 – ANO1

o ID002 – ANO2

o ID003 – ANO3

Configuração:

o P1/N1: 0 – leitura analógica;

o P2/N2: ID 000 – endereço da variável;

o RX: valor da variável declarada;

o TX: %4u – valor de caracteres.

60

Tag Digital: para acionamento dos periféricos.

Criação de variável:

o ID004 – DIG1

o ID005 – DIG2

Configuração:

o P1/N1: 5 – leitura digital;

o P2/N2: ID004 – endereço da variável;

o Como é digital, não se necessita do RX e TX.

Feito estas configurações de comunicação, é necessário a criação de

interações visuais para a interpretação dos dados recebidos do Arduino, para a

visualização humana e supervisionar os dados da estufa conforme figura 40.

Figura 40 – Tela de supervisão da estufa

Fonte: Software Elipse

Deste modo, utiliza-se a parte de associações de Tags, no objetivo de unir os

valores numéricos a displays desenhados nas telas de supervisão.

Essas associações podem ser de varia formas para diversas conexões, sendo

usadas especificamente no supervisório as seguintes:

61

Conexão por Tabela: estabelecem condições entre a variável, os valores e o

destino, tendo em sua tabela valores mínimos e máximos de variação;

Conexão Digital: situação compreendida em estados de verdadeiro ou falso

quando mapiado seus estados de variação;

Conexão Analógica: permite estabelecer uma escala de conversões entre a

variável fonte e a variável de destino;

Conexão Simples: o valor do campo fonte é copiado para a propriedade toda

vez que a fonte for modificada.

Para o monitoramento do processo envolvendo toda comunicação, são

inseridas telas de interface, estas que servem de interação para o operador.

Desenvolvido todo o processo de comunicação, conexão, desenho interativo,

usamos o E3 Viewer para navegação e interação com o supervisório, aonde o

domínio será rodado e executado.

O centro de monitoramento e supervisão está pronto para entrar em

funcionamento, para atender toda a demanda de funções especificas a quais foi

atribuída, com objetivo de interagir ser humano e sistema, para uma maior

flexibilidade e dinâmica em um ambiente interativo para uma indústria ou projeto

onde for ele implementado.

3.7 Tabela de Custo

Todo projeto necessita de administração de custos e levantamento de

recursos, para seu desenvolvimento e construção. Na tabela 4 são mostrados todos

os custos, para o desenvolvimento do protótipo e suas especificações.

62

Tabela 4 – Tabela de custos do projeto

Componentes Especificações Qtd. Preço

Eletrônicos Placas Fonte (5 V e 12 V) 1 R$120,00

A Rele (12 V) 2 Arduino Plataforma Microcontrolada 1 R$ 80,00 Sensor de Temperatura

LM35: Alimentação 5 V, sinal analógico.

2 R$ 8,00

Sensor de Umidade Relativa

DHT11: Alimentação 5 V, sinal analógico.

1 R$ 27,90

Cooler 220Vca 2 R$ 30,00

Sensor de Umidade do Solo

Groove: alimentação 5 V, sinal analógico

2 R$ 44,00

Estrutura Metalon Barra com 6 m 5

R$630,00

Chapa de Acrílico Transparente 120x60x0.6 mm 7 Chapa de aço Chapa 20 de 1200x800 mm 1 Tinta Automotiva azul

Hidráulica Válvula Solenoide 200 V (NA) 2 R$ 14,00 Nebulizador Antigotejamento 1 R$ 2,50 Registro Tipo Globo 1 R$ 6,50

Mangueiras Tipo gotejador 6 m R$ 18,00

Joelhos Mangueira gotejadora 4 R$ 10,00

Conectores Luva e outros 4 R$ 15,00

Outros Cabos

Verde 10 m R$ 8,50

Amarelo 10 m R$ 8,50

Preto 10 m R$ 8,50 Vermelho 10 m R$ 8,50

Azul 10 m R$ 8,50

Mangueiras de isolação

Preta emborrachada 12 m R$ 24,00

Parafusos Diversos 100 R$ 10,00

Veículo Combustível (gasolina) 40 Lt R$ 100,00

TOTAL R$ 1.180,40

Levantaram-se os custos totais do projeto, que chegaram a um total de R$

1.180,40 (Mil cento e oitenta reais e quarenta centavos).

63

Na figura 41 é mostrado o protótipo finalizado com as localizações de seus

sensores e atuadores. Para a água utilizada no processo foi utilizada a captação por

gravidade, já a irrigação do solo foi feita através do sistema de gotejamento.

Figura 41 – Vista geral do protótipo

Cooler 1

Nebulizador

DHT11

Cooler 2

Resistência

Groove

Válvulas Solenóide

Quadro de Comando

64

4 TESTES E RESULTADOS

Foram feitos testes do processo automatizado da estufa, e são descritos abaixo

alguns de seus resultados, lembrando que os testes foram realizados em um

ambiente com ar condicionado com temperatura de 22ºC e umidade relativa do ar

igual a 60%:

Na irrigação e umidificação do solo foram utilizadas terra molhada e

terra seca, onde pode-se constatar a umidade do solo na tela do

supervisório através de sinais enviados pelo sensor Groove (figura 42)

enterrado nesse solo . Quando a terra mostrou umidade inferior a 50%,

o Arduino através da programação enviou sinal para a válvula solenoide

(figura 43), que liberou água para a irrigação via gotejamento até a

umidificação atingir 70%, desligando após cumprir o objetivo.

Figura 42 – Sensor Groove enterrado no solo e mangueira de gotejamento

Figura 43 – Válvula solenóide

Através da resistência colocada no interior para controle em ambientes

frios, podem-se fazer simulações de ambientes quentes, acionando-a

manualmente, a leitura da temperatura interna será feita através do

65

supervisório, de dados enviados pelo DHT11 (figura 44). Ao aquecer o

ambiente acima de 24 ºC são acionados o cooler e o nebulizador de

água (figura 45) que são responsáveis para o resfriamento interior da

estufa, voltando ao estado primário (desligado) ao atingir 22 ºC

conforme programação no Arduino.

Figura 44 – Sensor DHT11 dentro da estufa

Figura 45 – Cooler 1 e nebulizador

Com a mesma resistência (Figura 46) utilizada no teste anterior é

simulada, através do aquecimento, a queda da umidade do ar dentro da

estufa, essa umidade ao atingir um valor menor que 50% ativam-se o

nebulizador e o cooler para a umidade atingir novamente os 70%,

conforme definido para o teste de umidificação do ambiente.

66

Figura 46 – Cooler 2 e resistência elétrica

Os resultados obtidos no teste podem ser visualizados abaixo, na tela

do supervisório:

Na figura 47 os dados das variáveis aparecem em seu estado primário.

Na figura 48 os dados variam de acordo com o acionamento de seus

atuadores.

Figura 47 – Dados das variáveis (estado primário)

67

Figura 48 – Dados após ativamento dos atuadores

68

5 CONCLUSÃO

Vários são os fatores e motivos que devem se levar em conta para declarar o

sucesso de um projeto, mas depois de muito estudo, análises e testes serão citados

aqui alguns que tiveram grande relevância para a realização deste trabalho.

O mercado brasileiro é muito amplo no que diz respeito ao desenvolvimento

de equipamentos e implementos agrícolas, este mercado tem uma gama enorme de

produtos nesta área, e justamente esta área que o projeto foi idealizado e realizado.

Empresas que constroem e vendem estufas de grande porte, mas que não

trabalham com o monitoramento eletrônico destas, não conseguindo então uma

comparação mais fidedigna de custos de uma estufa automatizada, que é o foco

deste projeto.

Verificou-se que a estufa, no que diz respeito ao controle das variáveis

propostas no projeto, conseguiu o seu objetivo, que era o de proporcionar um

ambiente mais apropriado a cultura plantada em seu recinto. Foram feitos testes em

ambientes com temperaturas elevadas e também baixas, com muita ou pouca

umidade, e foram bastante satisfatórios. Vimos que a plantação respondeu bem a

esses estímulos. O controle de umidade do solo através de gotejadores controlados,

permitiram uma economia bem razoável de água, comparado ao sistema

convencional, constatado durante visitas técnicas a plantações auxiliadas por

estufas convencionais.

Quanto ao levantamento de custos, foi constatado que o valor individual mais

expressivo é o da construção da estufa, chegando a R$ 630,00 (Seiscentos e trinta

reais), o que não é diferente se for comparado em escala às estufas tradicionais

comercializadas no mercado nacional. Esses R$ 630,00 representa mais de 50% de

todo o projeto. Deste comparativo pode-se concluir que, a automação de uma estufa

é viável, pois poderemos adaptar a automação em uma estufa com sua estrutura já

pronta, e que os dimensionamentos utilizados nos componentes do projeto podem

ser utilizados em estufas com áreas maiores que o projetado no protótipo,

acrescentando somente mangueiras que é uma das partes mais baratas do projeto.

69

REFERÊNCIAS

ANACLETO, Alcinda Maria da Costa, 2007. Temperatura e sua Medição. Faculdade de Ciências da Universidade do Porto. ARDUINO. (Disponível em:<http://www.Arduino.cc/playground/Portugues/HomePage>. Acesso em: 31 out. 2012.)

BANDERALT, Mauro. A importância do monitoramento de umidade do solo na agricultura. (Disponivel em: <http://www.diadecampo.com.br/zpublisher/materiais/Material.asp?id=21142&secao=Ferramentas%20Gerenciais>. Acesso em: 20 nov. 2012). BERTULANI, Carlos. Ensino de Física a Distância. sd. (Disponível em: <http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/temperatura/temperatura.html>. Acesso em: 17 maio 2012). BORGNAKKE, Claus; SONNTAG, Riohard. Fundamentos da Termodinâmica.

2009, p.230

CASTRO, Nilza. Apostila de Irrigação. Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Instituto de Pesquisas Hidráulicas, 2003. EMBRAPA. Uvas sem Sementes, 2005. (Disponível em: <http://sistemasdeproducao.cnptia.embrapa.br/FontesHTML/Uva/UvasSemSementes/irrigacao.htm#irriga001>Acessado em: 12 maio 2012). GIROTO E SANTOS. Quim. Nova, vol. 25, No.4, 2002, p.640 (<http://www.scielo.br/pdf/%0D/qn/v25n4/10539.pdf>) GRUPO VIVATI: Viveiro vale do Tietê. Buritama – São Paulo, 1994. (Disponível em: <http://www.grupovivati.com.br/site/index.php>. Acesso em: 10 nov. 2012).

MASSATOSHI, Celsdo F. Medição de Temperatura. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, sd. MERA, Lucas de Paula. Tipos de Irrigação, s.d. (Disponível em: <www.ebah.com.br> Acesso em: 23 abril 2012). MACEDO et al. apud Medice, 1997, sp.

O GLOBO. Estufas urbanas: o futuro da horta pode estar na metrópole. (Disponível em : <http:oglobo.globo.com/imóveis/estufas-urbanas-futuro-da-horta-pode-estar-na-metropole-6510186> Acesso em: 09 dez. 2012).

70

REVISTA BRASILEIRA DE AGRICULTURA IRRIGADA v.4, n.2, p.78–81, 2010. (Disponível em: < http://www.inovagri.org.br/rbai>. Acesso em: 07 nov. 2011). ROBERTS, Michael. Arduino Básico. São Paulo: Novatec, 2011.

SNA. Cultivo protegido: produção programada e fora de época. (Disponível em: <http://www.sna.agr.br/artigos/artitec-cultivo.htm>. Acesso em: 02 fev. 2012).

TELEMECANIQUE (1994), Tecnologia do Controle Industrial, Lisboa.

UNICAMP. Centro de Computação, sd. (Disponível em: <http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/root/tutorial-c-unicamp.pdf>. Acesso em 31 out. 2012).

KEMPER. Robótica com caráter social. (Disponível em:<http://www.kemper.com.br/wordpress/2011/09/02/Arduino-instalacao/>Acessado em: 29 out. 2012).

71

APÊNDICE

Abaixo foi disponibilizado o código fonte, em linguagem de programação

Processing, inserido no microcontrolador ATmega328 do Arduino e também os seus

comentários de funcionamento. Para o desenvolvimento deste código fonte foi

utilizado a versão Arduino 0023.

/*

# Código fonte para controle e automação de uma Estufa Automatizada

# Editor : Juliano Tosta Fernandes

# Data : 04.12.2012

# TCC Engenharia de Controle e Automação (MECATRÔNICA)

# Unip

*/

// definindo a porta ANO "A0" para o sensor de temperatura e umidade DHT11

#define DHT11_PIN 0

char rec; // declarando a variável a receber no serial

// definindo a porta analógica "A1" para o sensor de umidade do solo

int groovePin= A1;

int umidadesolo=0; // leitura do sensor inicia-se em zero "LOW"

// definindo a porta analógica "A2" para o sensor de temperatura lm35

int lmPin = A2;

float temperatura = 0;

byte read_dht11_dat() // declara a leitura de dados do DHT11

{

byte i = 0;

byte result=0;

for(i=0; i< 8; i++)

{

while(!(PINC & _BV(DHT11_PIN))); // espera por 30 ms

delayMicroseconds(30);

if(PINC & _BV(DHT11_PIN))

result |=(1<<(7-i));

while((PINC & _BV(DHT11_PIN))); // espera teste'1' acabar

72

}

return result; // retorna resultado

}

void setup()

{

pinMode (8,OUTPUT); // declara as portas de saída digitais

pinMode (9,OUTPUT);

pinMode (10,OUTPUT);

pinMode (11,OUTPUT);

pinMode (12,OUTPUT);

DDRC |= _BV(DHT11_PIN);

PORTC |= _BV(DHT11_PIN);

Serial.begin(9600); // baude rate de comunicação

//libera caracteres que estejam na linha serial, deixando-a vazia e pronta p/ I/O

Serial.flush ();

Serial.println("Pronto"); //imprime a palavra "" no serial

}

void loop()

{

{

temperatura = analogRead (lmPin); // leitura do sensor de temperatura lm35

temperatura = (487* (float)temperatura)/1023; // transforma de K para ºC

}

{

umidadesolo = analogRead (groovePin); //leitura do sensor de umid. do solo

umidadesolo = umidadesolo*0.12; //transformando o resultado para "%"

}

byte dht11_dat[5]; // declarando dados do sensor DHT11

byte dht11_in;

byte i; // condição de início

// 1. pull-down i/o pin para 18ms

PORTC &= ~_BV(DHT11_PIN);

delay(18);

PORTC |= _BV(DHT11_PIN);

delayMicroseconds(40); // espera 40 micro segundos

DDRC &= ~_BV(DHT11_PIN);

delayMicroseconds(40);

73

dht11_in = PINC & _BV(DHT11_PIN); // teste de funcionamento do DHT11

if(dht11_in)

{

Serial.println(" dht11 condicao de inicio 1 nao reconhecido");

return;

}

delayMicroseconds(80);

dht11_in = PINC & _BV(DHT11_PIN);

if(!dht11_in)

{

Serial.println("dht11 condicao de inicio 2 nao reconhecido");

return;

}

delayMicroseconds(80); // agora pronto para a recepção de dados

// faz com que a condição recebimento de dados seja testada 5 vezes

for (i=0; i<5; i++)

dht11_dat[i] = read_dht11_dat();

DDRC |= _BV(DHT11_PIN);

PORTC |= _BV(DHT11_PIN);

// verificar check_sum

Byte dht11_check_sum = dht11_dat[0]+dht11_dat[1]+dht11_dat[2]+dht11_dat[3];

// verifica se algum caractere foi enviado pela linha serial

if(Serial.available()>0)

int index=0;

delay(100);

{

rec=Serial.read();

if(rec=='a')

{

// se receber a letra "a" envia a Umidade relativa do ar

Serial.println((float)dht11_dat[0],2);

}

if(rec=='b')

{

// se receber a letra "b" envia a Temperatura da estufa

Serial.println((float)dht11_dat[2],2);

}

74

if (rec=='c')

{

Serial.println(umidadesolo); //se receber a letra "c" envia a Umidade do Solo

}

if (rec=='d')

{

Serial.println (temperatura); //se receber a letra "d" envia a Temperatura externa

}

Serial.flush (); // libera caracteres que estejam na linha serial, deixando-a vazia e pronta para

entradas/saídas

}

if (dht11_dat[2] > 30) { // aciona o cooler 1 acima de 30 ºC

digitalWrite (8,HIGH);

}

if (dht11_dat[2] < 28) { // desliga o cooler 1 abaixo de 28ºC

digitalWrite (8,LOW);

}

if (dht11_dat[2] < 20) { // aciona o cooler 2 e a resistência abaixo de 20ºC

digitalWrite (9,HIGH);

digitalWrite (10,HIGH);

}

if (dht11_dat[2] >24) { // desliga o cooler 2 e a resistência acima de 24 ºC

digitalWrite (9,LOW);

digitalWrite (10,LOW);

}

if (umidadesolo < 50){ // aciona a válvula de gotejamento quando a umidade do solo for

menor que 50%

digitalWrite (11,HIGH);

}

if (umidadesolo > 70){ // desliga a válvula de gotejamento quando a umidade do solo for

maior que 70%

digitalWrite (11,LOW);

}

if (dht11_dat[2] > 30) { // aciona a válvula 2 responsável pelo nebulizador acima de 30ºC

digitalWrite (12,HIGH);

delay (3000); // espera 3000 ms

digitalWrite (12,LOW); // desliga a válvula 2

delay (2000); // espera 2000 ms

}

75

if (dht11_dat[2] <28) { // desliga a válula 2 abaixo de 28ºC

digitalWrite (12,LOW);

}

if (dht11_dat[0] < 45){ //aciona a valvula 2 se umidade relativa estiver abaixo de 45%

digitalWrite (12,HIGH);

delay (3000); // espera 3000 ms

digitalWrite (12,LOW); // desliga a válvula 2

delay (2000); // espera 2000 ms

}

if (dht11_dat[0] >70){ // desliga válvula 2 se umidade relativa estiver acima de 70%

digitalWrite (12,LOW);

}

delay(200); // espera 200 ms

}