TCC Mauricio final - UEL · GPRS - General Packet Radio Service GSM - Global System for Mobile...
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MAURÍCIO MOREIRA ESTAÇÃO AGROMETEOROLÓGICA LA2I: SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS LONDRINA 2010
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MAURÍCIO MOREIRA
ESTAÇÃO AGROMETEOROLÓGICA LA2I: SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
LONDRINA 2010
MAURÍCIO MOREIRA
ESTAÇÃO AGROMETEOROLÓGICA LA2I: SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina. Orientadora: Prof. Maria Bernadete de Morais França
LONDRINA 2010
MAURÍCIO MOREIRA
ESTAÇÃO AGROMETEOROLÓGICA LA2I: SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina.
COMISSÃO EXAMINADORA
____________________________________ Maria Bernadete de Morais França
Prof. Orientadora Universidade Estadual de Londrina
____________________________________ Prof. Dr. Leonimer Flávio de Melo
Universidade Estadual de Londrina
____________________________________ Prof. Dr. Marcelo Augusto de Aguiar e Silva
Universidade Estadual de Londrina
Londrina, novembro de 2010.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus pela vida, pela sabedoria e capacidade para realizar este
trabalho.
À minha família, especialmente aos meus pais, por todo o apoio e pela
confiança em todos os momentos.
A todos os amigos que conheci durante estes últimos anos, em especial ao
Alex Lemes Guedes, ao Leandro Guerra e ao Victor Hugo Batista Tsukahara, pela
companhia e por todo o conhecimento compartilhado.
Agradeço à minha grande amiga Poliane Cristina de Farias pelo
companheirismo, pelo constante incentivo, e por sua imensa alegria.
Aos professores Maria Bernadete de Morais França e José Alexandre de
França pela orientação neste trabalho, pela oportunidade oferecida e pela confiança.
Agradeço ao professor Ernesto Fernando Ferreyra Ramírez pelo
conhecimento transmitido e pelas valiosas experiências compartilhadas durante os anos de
trabalho de iniciação científica.
Agradeço também aos demais professores, e a todos que direta ou
indiretamente, com sua contribuição, possibilitaram a realização deste trabalho.
“Pois todo aquele que pede, recebe; quem procura, acha;
e a quem bate, a porta será aberta.” (Mateus 7,8)
MOREIRA, Maurício. Estação Agrometeorológica LA2I: Sistema de Aquisição de Dados. 2010. 58 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2010.
RESUMO
O monitoramento de dados agrometeorológicos possui importância fundamental em diversas áreas, como na climatologia, na meteorologia e na agricultura, entre outras. Trata-se de uma importante ferramenta para estudos, para a tomada de decisões na agricultura, entre diversas outras aplicações. Neste contexto, as estações agrometeorológicas desempenham um papel determinante para a coleta de dados. Este trabalho apresenta um sistema de aquisição e armazenamento de dados agrometeorológicos, desenvolvido para uma estação agrometeorológica automática do Laboratório de Automação e Instrumentação Inteligente da Universidade Estadual de Londrina. Neste sistema, são coletados dados de sensores de temperatura do ar, umidade relativa do ar, molhamento foliar e precipitação. Estes dados são armazenados em uma memória não-volátil, e transmitidos por meio de um modem GPRS. Também é feito o monitoramento da tensão da bateria de alimentação do sistema, a qual é utilizada em conjunto com uma célula fotovoltaica de forma a proporcionar autonomia à estação. O trabalho apresenta a parte física da estação, bem como os sensores utilizados. Também é feita uma descrição do sistema de aquisição, armazenamento e transmissão dos dados. Alguns testes de campo foram realizados, os quais apresentaram resultados satisfatórios, e os dados obtidos são apresentados. Palavras-chave: Sensores. Sistema de monitoramento embarcado. Transmissão de dados via GPRS. Dados Agrometeorológicos.
MOREIRA, Maurício. Estação Agrometeorológica LA2I: Sistema de Auisição de Dados. 2010. 58 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2010.
ABSTRACT
The monitoring of agrometeorological data has a great importance to several fields, such as climatology, meteorology and agriculture, among others. That is an important tool for studies, decision making in the agriculture, and other applications besides. In this context, agrometeorological stations perform a determinant role in the data collection. This paper presents an agrometeorological data acquisition and storage system, which was developed for an agrometeorological station from the Laboratory of Intelligent Automation and Instrumentation of Londrina State University. In this system, data from temperature, relative humidity, leaf wetness and precipitation sensors are collected. These data are stored in a nonvolatile memory, and transmitted by a GPRS modem. It is also performed the monitoring of the voltage of the battery supply, which is used together with a photovoltaic cell in order to provide autonomy to the station. This paper presents the physical part of the station, besides the sensors that were used. The system for data aqcuisition, storage and transmittion is described. Some field tests have been made, which showed satisfactory results, and the obtained data are presented. Key words: Sensors. Embedded Monitoring System. GPRS Data Transmission. Agrometeorological Data.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Diagrama de blocos da estação........................................................................... 16
Figura 2 - Diagrama de blocos da Placa de Desenvolvimento LA2I_HCS08........................ 17
Figura 3 - Bloco USB e SERIAL da Placa de Desenvolvimento LA2I_HCS08...................... 19
Figura 4- Interface de comunicação serial síncrona entre o microcontrolador e a memória
24FC128. ........................................................................................................... 20
Figura 5 - Operação de escrita na memória 24FC128 – protocolo IIC. ................................ 20
Figura 6 - Operação de leitura da memória 24FC128 – protocolo IIC. ................................. 20
Figura 7- Sinal de start - protocolo IIC. ................................................................................ 21
Figura 8 - Sinal de stop - protocolo IIC................................................................................. 21
Figura 9 - Sensor SHT11. .................................................................................................... 22
Figura 10 - Acurácia do sensor de temperatura. .................................................................. 23
Figura 11 - Acurácia do sensor de umidade relativa. ........................................................... 23
Figura 12 - Interface de comunicação serial síncrona entre o microcontrolador e o sensor. 23
Figura 13 – Medição de temperatura e umidade relativa do ar. ........................................... 24
Figura 14 - Sequência de transmissão de "Start " para o SHT11. ........................................ 24
Figura 15 - Sensor de molhamento foliar. ............................................................................ 27
Figura 16 - Multivibrador astável. ......................................................................................... 27
Figura 17- Pluviômetro de báscula....................................................................................... 29
Figura 18 - Conexão entre o pluviômetro e o microcontrolador............................................ 29
Figura 19- Divisor resistivo para monitoramento da tensão da bateria. ................................ 30
Figura 20 - Relação entre a tensão de alimentação do sistema e a tensão de saída do
sensor. ............................................................................................................... 31
Figura 21- Modem GPRS LA2I. ........................................................................................... 32
Figura 22 - Inteface de comunicação entre o microcontrolador e o Modem GPRS LA2I ...... 33
Figura 23 - Comandos enviados ao modem para conexão e transmissão de dados............ 34
Figura 24 - Comandos recebidos pelo microcontrolador para configuração da Estação ...... 37
Figura 25 - Medidas na memória 24FC128.......................................................................... 41
Figura 26 - Organização da memória 24FC128 no modo de operação sem transmissão de
dados. ................................................................................................................ 43
Figura 27 - Tempo máximo de operação sem transmissão de dados. ................................. 43
Figura 28 - Organização da memória 24FC128 no modo de operação com transmissão de
dados. ................................................................................................................ 44
Figura 29 - Processo de aquisição e transmissão de dados. ............................................... 45
Figura 30 - Tempo máximo de operação com transmissão de dados considerando o pior
caso.................................................................................................................... 46
Figura 31 - Estação Agrometeorológica LA2I....................................................................... 47
Figura 32 - Formato de apresentação dos dados pela Estação Agrometeorológica LA2I. ... 49
Figura 33 - Dados de temperatura em 30/09/2010 e 01/10/2010. ........................................ 49
Figura 34 - Dados de umidade relativa em 30/09/2010 e 01/10/2010. ................................. 50
Figura 35 - Dados de molhamento foliar em 30/09/2010 e 01/10/2010. ............................... 50
Figura 36 - Dados de precipitação em 30/09/2010 e 01/10/2010. ........................................ 51
Figura 37 - Dados da tensão da bateria em 30/09/2010 e 01/10/2010................................. 51
Figura 38 - Dados de temperatura entre 24/09/2010 e 08/10/2010.. .................................... 53
Figura 39 - Dados de umidade relativa entre 24/09/2010 e 08/10/2010.. ............................. 53
Figura 40 - Dados de molhamento foliar entre 24/09/2010 e 08/10/2010. ............................ 54
Figura 41 - Dados de precipitação entre 24/09/2010 e 08/10/2010...................................... 54
Figura 42 - Dados da tensão da bateria entre 24/09/2010 e 08/10/2010.............................. 55
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Principais comandos para o SHT11...................................................................24
Tabela 2 - Principais comandos AT utilizados.....................................................................33
Tabela 3 - Configurações das operadoras de celular utilizadas ..........................................35
Tabela 4 - Parâmetros de funcionamento da estação.........................................................38
Tabela 5 - Configuração dos parâmetros utilizada nos testes .............................................48
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ADC - Analog-to-Digital Converter
APN - Access Point Name
CI - Circuito Integrado
CRC - Cyclic Redundancy Check
DPM – Duração do Período de Molhamento Foliar
EEPROM - Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory
GPRS - General Packet Radio Service
GSM - Global System for Mobile Communication
IAPAR - Instituto Agronômico do Paraná
ICS - Internal Clock Source
IIC - Inter-Integrated Circuit
IP - Internet Protocol
LCC - Leadless Chip Carrier
RAM - Read-Only Memory
RTC - Real-Time Counter
SCI - Serial Communications Interface
SSOP - Shrink Small-Outline Package
TCP - Transmission Control Protocol
TPM - Timer Pulse-Width Modulator
TSSOP - Thin-Shrink Small Outline Package
UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
USB - Universal Serial Bus
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................12
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................14
3 ARQUITETURA DA ESTAÇÃO .......................................................................................16
3.1 PLACA DE DESENVOLVIMENTO LA2I_HCS08 ....................................................................17
3.1.1 Microcontrolador MC9S08SH8....................................................................................18
3.1.2 Conversor USB-Serial.................................................................................................18
3.1.3 Memória EEPROM .....................................................................................................19
3.2 SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE RELATIVA DO AR ...................................................22
3.3 SENSOR DE MOLHAMENTO FOLIAR ...................................................................................26
3.4 SENSOR DE PRECIPITAÇÃO ..............................................................................................28
3.5 SENSOR DE TENSÃO DA BATERIA......................................................................................30
3.6 MODEM GPRS LA2I ........................................................................................................32
4 ALGORITMO DE AQUISIÇÃO DE DADOS .....................................................................36
4.1 CONFIGURAÇÃO DA ESTAÇÃO...........................................................................................36
4.1.1 Configuração dos Parâmetros de Funcionamento ......................................................37
4.1.2 Leitura dos Parâmetros Atuais ....................................................................................39
4.1.3 Leitura dos Dados Armazenados ................................................................................39
4.1.4 Reinicialização da Estação .........................................................................................40
4.2 OPERAÇÃO SEM TRANSMISSÃO DE DADOS ........................................................................40
4.3 OPERAÇÃO COM TRANSMISSÃO DE DADOS .......................................................................44
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................................................47
6 CONCLUSÃO...................................................................................................................56
REFERÊNCIAS ...................................................................................................................58
12
1 INTRODUÇÃO
Sistemas de aquisição de dados são fundamentais para o conhecimento e
monitoramento de grandezas físicas relacionadas a diversos processos na indústria, nas
áreas médica, científica, entre muitas outras, e são utilizados em uma grande variedade de
aplicações. Na agricultura, a aquisição de dados agrometeorológicos apresenta grande
importância para monitoramento das condições meteorológicas, determinantes para o
controle de doenças e para o conhecimento das variávies que afetam produtividade e a
qualidade dos produtos (CAMILLI et. al., 2007).
A temperatura e a umidade relativa do ar são alguns dos fatores
fundamentais para o desenvolvimento de doenças em plantas (BONDE et. al., 2007). Outras
grandezas críticas são o índice pluviométrico e o período de molhamento foliar
(SENTELHAS; GILLESPIE; SANTOS, 2007). O monitoramento destes parâmetros pode ser
utilizado como base para tomada de decisões e proporcionar a utilização de defensivos
agrícolas de forma mais racional e eficiente (SENTELHAS; MONTEIRO; GILLESPIE, 2004).
A aquisição destes dados é feita por meio das estações
agrometeorológicas automáticas e convencionais. Uma estação agrometeorológica
automática é composta por sensores eletrônicos e um módulo de armazenamento de dados,
a qual realiza medições das grandezas em intervalos regulares. Um fator importante é a
forma de acesso aos dados coletados em campo, que pode ser diferente nos diversos tipos
de estações existentes, e que torna inviável em muitos casos a análise dos dados em tempo
real.
No Brasil, o uso das estações agrometeorológicas na tomada de decisão e
produção agrícola ainda é pequeno, principalmente devido ao seu alto custo. Nesse sentido,
o desenvolvimento de novas tecnologias de baixo custo pode ser um fator importante para o
desenvolvimento de uma agricultura sustentável e trazer diversos benefícios para
produtores, consumidores e para o meio ambiente, de forma geral.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de aquisição e
armazenamento de dados para a Estação Agrometeorológica LA2I, equipamento
microcontrolado em desenvolvimento no Laboratório de Automação e Instrumentação
Inteligente da Universidade Estadual de Londrina. Esta estação é composta por sensores de
temperatura do ar, umidade relativa do ar, molhamento foliar e precipitação. Além destes
parâmetros, o sistema coleta dados da tensão de alimentação do sistema, a qual é feita por
meio de uma bateria recarregável. Esta é utilizada em conjunto com uma placa fotovoltaica,
a qual permite autonomia ao equipamento. Os dados coletados são transmitidos por meio
de um modem GPRS a um servidor e disponibilizados em uma página na Internet, e
13
também podem ser acessados diretamente da estação utilizando uma conexão USB com
um computador.
Assim, objetivo deste trabalho foi implementar os algoritmos de aquisição,
armazenamento e transmissão de dados. Para isto, foi realizada a programação do
microcontrolador para o controle do sistema, bem como para a leitura dos dados dos
sensores e para a comunicação com o modem GPRS.
No capítulo 2, é apresentado um estudo sobre o tema e sobre alguns
trabalhos importantes encontrados na literatura. No capítulo 3, é apresentada a parte
estrutural da Estação Agrometeorológica LA2I. São descritos os sensores utilizados, os
circuitos de condicionamento e as interfaces entre os dispositivos. São mostrados ainda os
métodos de leitura dos sensores e as formas de conversão para valores físicos. O capítulo 4
mostra os algoritmos de aquisição, armazenamento e transmissão de dados, identificando
as características e os modos de funcionamento do sistema proposto. No capítulo 5, são
apresentados alguns resultados de testes efetuados em campo. Por fim, a conclusão é feita
no capítulo 6, e algumas sugestões para trabalhos futuros são apresentadas.
14
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Dados meteorológicos possuem grande importância na agricultura, nas
ações da defesa civil no que se refere às enchentes e às secas, no controle dos aeroportos,
na previsão do tempo, nos estudos sobre o clima, entre diversas outras áreas. Em geral,
grandezas tais como temperatura do ar, umidade relativa do ar, precipitação, radiação solar,
direção e velocidade do vento, umidade do solo, entre outras, precisam ser conhecidas ou
até mesmo controladas. Nesse sentido, os sensores e sistemas eletrônicos de coleta de
dados desempenham um papel fundamental na medição e no monitoramento das variávies
dos processos.
Na agrometeorologia, muitas destas grandezas possuem importância
conhecida há milênios e têm sido observadas cientificamente desde o século XVI com
Galileu Galilei. Dados agrometeorológicos há muito são utilizados para monitoramento do
tempo. O conhecimento destas grandezas tem se tornado cada vez mais importante para a
tomada de decisões no manejo agrícola e pecuário, em processos tais como irrigação,
adubação e controle de doenças e pragas pela aplicação de defensivos agrícolas, de forma
a tornar os sistemas agrícolas mais eficientes e sustentáveis.
O uso inadequado de defensivos agrícolas é um fator que agrava a
ocorrência de pragas e doenças em áreas agrícolas, uma vez que contribuem para o
desenvolvimento da resistência dos organismos aos princípios ativos (MONTEIRO et. al,
2005). Nesse sentido, o processo de tomada de decisões, baseada em dados
agrometeorológicos, possui grande importância na aplicação de medidas de controle.
O manejo da irrigação também pode ser considerada uma atividade
essencial, que deve ser acompanhada e dimensionada adequadamente, principalmente em
regiões em que os recursos hídricos são escassos. Com esse objetivo, dados
agrometeorológicos tem sido amplamente utilizados para estimativa da evapotranspiração
de referência, de forma a identificar com precisão o momento e a quantidade de água a ser
aplicada às plantas (SILVA, A. J. S.; ANDRADE JUNIOR, A. S.; MARIN, F. R., 2008).
Estudos tem sido realizados com base na observação das variáveis
agrometeorológicas, e mostram como estes elementos afetam a produtividade e interferem
na qualidade dos produtos agrícolas. Além disto, novas tecnologias de sensores são
desenvolvidas, e novos sistemas automáticos de aquisição de dados são introduzidos.
Bonde et. al. (2007) estudaram os efeitos da temperatura na germinação
de esporos e no desenvolvimento de doenças em plantas. Monteiro et. al. (2005) estudaram
a favorabilidade do desenvolvimento da mancha angular do algodoeiro, através de um
índice que considera dados de temperatura e da duração do período de molhamento foliar.
15
Morais et. al. (2008) desenvolveram um sistema de aquisição de dados
wireless utilizando redes ZigBee com aplicação na viticultura. Camilli et. al. (2007)
desenvolveram uma aplicação utilizando uma rede de sensores wireless que se comunicam
entre si a pequenas distâncias utilizando radiofrequências. Jiang et. al. (2008)
desenvolveram um sistema para monitoramento automático de informações de campo, o
qual envia dados por mensagens SMS através da rede GSM. Métodos construtivos e
aplicações de sensores de molhamento foliar foram estudados por Sentelhas, Monteiro e
Gillespie (2004), Sentelhas, Gillespie e Santos (2007), e por Lulu (2008).
Novas perspectivas indicam que o monitoramento agrometeorológico deve
se tornar uma ferramenta cada vez mais comum no desenvolvimento consciente das
atividades agrícolas. Nesse contexto, os sistemas de aquisição de dados
agrometeorológicos possuem fundamental importância. Aliado ao desenvolvimento dos
sistemas eletrônicos, o progresso técnico dos sensores agrometeorológicos constitui um
importante fator para o desenvolvimento de uma agricultura sustentável.
Um fator limitante é o custo relativamente alto das estações
agrometeorológicas. Além disso, sistemas com transmissão automática dos dados ainda é
uma tecnologia recente. Nesse sentido, pode-se destacar a importância do desenvolvimento
de um sistema nacional e de baixo custo.
16
3 ARQUITETURA DA ESTAÇÃO
Na Figura 1, é apresentado um diagrama de blocos da Estação
Agrometeorológica LA2I. Trata-se de um sistema microcontrolado, composto por sensores
ligados a uma placa mãe, a qual é responsável pela comunicação com os sensores e pelo
armazenamento dos dados. A alimentação é feita por uma bateria recarregável, utilizada em
conjunto com uma célula fotovoltaica. O acesso aos dados e as configurações são feitos
através da Interface de Comunicação Serial (SCI) do microcontrolador, por meio do Sistema
de Acesso, um software utilizado como interface entre a estação e o usuário. Além disso, os
dados podem ser enviados através de um modem utilizando o padrão GPRS, e
disponibilizados na Internet.
Figura 1 - Diagrama de blocos da estação.
Neste trabalho, foi desenvolvido o sistema de aquisição e armazenamento
de dados para esta estação. Para isto, foi utilizada a Placa de Desenvolvimento
LA2I_HCS08, e foram construidos os circuitos para comunicação entre esta e os sensores.
Nas seções seguintes são apresentados os sensores e demais componentes da Estação.
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3.1 PLACA DE DESENVOLVIMENTO LA2I_HCS08
Esta placa de desenvolvimento foi projetada no Laboratório de Automação
e Instrumentação Inteligente da UEL com o objetivo de proporcionar uma plataforma para
aprendizagem para o microcontrolador MC9S08SH8, da Freescale, e foi utilizada como
suporte para desenvolvimento da Estação Agrometeorológica LA2I. A Figura 2 apresenta
um diagrama de blocos desta placa.
Figura 2 - Diagrama de blocos da Placa de Desenvolvimento LA2I_HCS08.
A Placa de Desenvolvimento LA2I_HCS08 é alimentada por uma bateria
de 12 V. Esta tensão é regulada para 5V, tensão de operação do microcontrolador e dos
demais dispositivos da placa apresentados a seguir.
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3.1.1 Microcontrolador MC9S08SH8
Este microcontrolador é um dispositivo da família HCS08SH, da Freescale,
com encapsulamento TSSOP de 20 pinos. Possui 8192 bytes de memória FLASH, 512
bytes de memória RAM, e diversos módulos periféricos, entre os quais foram utilizados para
esta aplicação (FREESCALE SEMICONDUCTOR, 2008):
Conversor Analógico-Digital (ADC) com 10 bits de resolução;
Internal Clock Source (ICS): permite configurar os sinais de clock para os diversos
módulos do microcontrolador, utilizando referência de clock interna ou externa, tal
como um cristal oscilador;
Inter-Integrated Circuit (IIC): permite comunicação serial síncrona com diversos
dispositivos, em até 100 kbps;
Real-Time Counter (RTC): contador tempo real, que permite configurar diversas
bases de tempo;
Interface de Comunicação Serial (SCI) : permite comunicação serial assíncrona full-
duplex;
Timer Pulse-Width Modulation (TPM): permite configurar um canal para operar como
input capture, output compare ou PWM.
A programação deste microcontrolador foi feita em linguagem C, utilizando
o software CodeWarrior IDE versão 5.9.0.
3.1.2 Conversor USB - SERIAL
A Placa de Desenvolvimento LA2I_HCS08 contém um circuito integrado
(CI) FT232RL, com encapsulamento SSOP de 28 pinos. Trata-se de uma interface UART,
compatível com o padrão USB 2.0, que permite conversão USB para RS232, RS422 e
RS485, entre diversas outras aplicações. Este CI cria uma porta serial virtual ao ser
conectado a um computador, a qual pode ser acessada por meio de um programa de
suporte ao padrão serial EIA-232 como o Hyperterminal do Windows, e assim permite a
comunicação deste com o microcontrolador através do módulo SCI.
Esta funcionalidade foi utilizada para configuração da estação e para
leitura dos dados por meio do Sistema de Acesso. Para utilizar esta opção da placa, o
19
conversor deve ser ligado aos pinos referentes à Interface de Comunicação Serial do
microcontrolador por meio de dois jumpers de seleção, como mostra a Figura 3. Estes
jumpers, por outro lado, são utilizados para conectar os pinos da SCI do microcontrolador ao
modem, caso a opção de envio de dados seja desejada durante a operação da estação.
Figura 3 - Bloco USB e SERIAL da Placa de Desenvolvimento LA2I_HCS08.
3.1.3 Memória EEPROM
A Placa de Desenvolvimento LA2I_HCS08 contém ainda um circuito
integrado 24FC128, uma memória EEPROM de 128 kbits, com 8 pinos. Possui comunicação
serial IIC, e três pinos de endereçamento (MICROCHIP TECHNOLOGY, 2010).
Esta memória foi utilizada para armazenamento dos dados coletados pelos
sensores da estação, com transferência de dados através do módulo de comunicação IIC do
microcontrolador.
A comunicação entre o microcontrolador e a memória 24FC128 é feita
utilizando a interface mostrada na Figura 4, utilizando o do protocolo IIC. Este circuito
integrado, assim como o microcontrolador e demais dispositivos do sistema, é alimentado
com 5V. Nesta interface, são utilizados resistores de pull-up de 2,2 kΩ ligados às linhas SCL
e SDA. Estas linhas são utilizadas para a sincronização da comunicação e para
transferência de dados, respectivamente. As operações de escrita e leitura da memória
24FC128 são mostradas nas Figuras 5 e 6.
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Figura 4- Interface de comunicação serial síncrona entre o microcontrolador e a memória
24FC128.
Figura 5 - Operação de escrita na memória 24FC128 – protocolo IIC.
Figura 6 - Operação de leitura da memória 24FC128 – protocolo IIC.
A comunicação IIC padrão é composta por quatro partes: sinal de start,
endereçamento do dispositivo, transferência de dados e sinal de stop. Nesta comunicação, o
microcontrolador, na função de mestre, controla a linha SCL. Este inicia a comunicação
enviando um sinal de start, que é definido como uma transição de nível alto para nível baixo
na linha SDA, enquanto SCL está em nível alto, como mostra a Figura 7. Em seguida, o
mestre envia um byte de controle, composto por sete bits de endereçamento do dispositivo
21
com o qual a comunicação será feita, e um bit que indica a direção da transferência de
dados. Na sequência do byte de controle é feita a transferência de dados, na direção
especificada anteriormente. No caso da memória 24FC128, a transferência de dados inclui
bytes de endereçamento das posições de memória, e bytes de dados a serem escritos ou
lidos do dispositivo. Em cada transmissão, o dado é válido enquanto SCL está em nível alto,
de forma que a linha SDA deve permanecer estável durante este período. Dessa forma, a
linha de dados deve mudar quando SCL estiver em nível baixo. Cada byte de controle ou de
dados é seguido de um nono bit de acknowledge, definido como nível 0 em SDA durante o
nono pulso de clock, o qual é transmitido por um dos dispositivos indicando a recepção do
byte. Por fim, a comunicação é encerrada por um sinal de stop transmitido pelo mestre, que
consiste em uma borda de subida na linha SDA enquanto SCL está em nível alto, como
mostra a Figura 8.
Figura 7- Sinal de start - protocolo IIC.
Figura 8 - Sinal de stop - protocolo IIC.
A comunicaçao com a memória foi implementada utilizando o módulo IIC
do microcontrolador. Os pinos do HCS08 utilizados para esta comunicação foram
compartilhados com o sensor de temperatura e umidade relativa do ar, como será mostrado
na sequência.
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3.2 SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE RELATIVA DO AR
Para esta aplicação, foi utilizado o circuito integrado SHT11, da Sensirion,
mostrado na Figura 9. Este é um sensor de temperatura e umidade relativa do ar, de quatro
pinos, com encapsulamento Leadless Chip Carrier (LCC). Este circuito não necessita
calibração e não requer componentes externos. Fornece saída digital, através de uma
interface de comunicação serial síncrona.
Figura 9 - Sensor SHT11.
Como principais características deste circuito, pode-se destacar
(SENSIRION INCORPORATION, 2010):
medida de temperatura entre -40 e 123,8°C, com resolução de 14 bits (0,01°C) e
acurácia de ±0,5 °C @ 25 °C (Figura 10);
medida de umidade relativa entre 0 e 100%, com resolução de 12 bits (0,03%) e
acurácia de 3,5% (Figura 11);
alimentação entre 2,4 e 5,5 V;
corrente de alimentação: 550 µA durante medição, 28 µA média, menor do que 1µA
em modo sleep.
Este circuito permite configurar medições de temperatura e umidade do ar
com resoluções de 12 e 14 bits, respectivamente, ou em 8 e 12 bits, através da configuração
do Status Register. Esta configuração, bem como o acesso às medidas, são feitos através
de uma interface de comunicação síncrona de dois fios, mostrada na Figura 12.
23
Figura 10 - Acurácia do sensor de temperatura.
Figura 11 - Acurácia do sensor de umidade relativa.
Figura 12 - Interface de comunicação serial síncrona entre o microcontrolador e o sensor.
24
O circuito SHT11 também é alimentado com 5V. Analogamente à
comunicação com a memória, as linhas SCK e DATA são utilizadas respectivamente para a
sincronização da comunicação e para transferência de dados.
Uma medida de temperatura ou umidade relativa do ar é feita através de
uma sequência de operações, como mostra a Figura 13.
Figura 13 – Medição de temperatura e umidade relativa do ar.
A transferência de dados inicia com a transmissão de um bit “Start” (TS)
pelo microcontrolador, que consiste em gerar uma borda de descida na linha DATA com a
linha SCK em alto, seguido de um pulso em nível baixo em SCK e de uma borda de subida
em DATA com SCK em nível alto (Figura 14). Em seguida, é feito o envio de um byte de
controle, que consiste em três bits de endereçamento, “000”, e cinco bits de comando,
definidos na Tabela 1. Nessa transferência, a linha DATA muda após uma borda de descida
em SCK e é válida na borda de subida, sendo que deve permanecer estável até a próxima
borda de descida de SCK. Após a descida do oitavo pulso de clock em SCK, o SHT11
coloca a linha de dados em nível baixo (bit ACK) indicando a recepção correta do comando,
e então libera a linha após o nono pulso de clock.
Figura 14 - Sequência de transmissão de "Start " para o SHT11.
Tabela 1 – Principais comandos para o SHT11.
Comando Código
Medir temperatura 00011
Medir umidade relativa 00101
25
Em seguida, o microcontroladador precisa esperar um determinado tempo
até que a medida esteja completa, quando o SHT11 muda o estado da linha para zero. Este
tempo é cerca de 11 ms para uma medida em 8 bits e até 210 ms no caso de uma medida
em 14 bits. Assim que o dado está pronto, o microcontrolador volta a enviar os pulsos em
SCK. Então dois bytes de dados com o valor da medida são transmitidos do SHT11 para o
microcontrolador, além de um byte de CRC Checksum, que pode ser utilizado para
verificação de erros de comunicação. Após a recepção de cada byte, o microcontrolador
deve enviar um ACK para confirmar o recebimento, colocando a linha SCK em nivel baixo. A
comunicação é terminada após o recebimento do CRC, ou após o recebimento do segundo
byte de dados, caso o CRC Checksum não seja utilizado, mantendo a linha DATA em nível
alto durante o nono pulso de clock em SCK (bit ACK). Nesta aplicação, não foi utilizado o
byte de CRC Checksum.
Devido à semelhança entre os protocolos para a comunicação com o
sensor SHT11 e com a memória 24FC128, bem como os requisitos de hardware em cada
um dos casos, foram utilizados os mesmos pinos do microcontrolador. No caso da
comunicação com a memória, foi utilizado o módulo IIC. Já a comunicação com o SHT11 foi
implementada por software, desabilitando-se o módulo IIC e utilizado os pinos em questão
como entradas e saídas digitais.
De acordo com o manual do fabricante, o sensor de temperatura é
intrinsecamente linear, enquanto o de umidade necessita de compensação durante a
conversão para valores físicos. Uma vez recebidos os bytes de dados, estes podem ser
convertidos de acordo com as equações (1), (2) e (3):
TCSOT ⋅+−=
°01,040 (1)
26)(108,20405,04
RHRHlinearSOSORH ⋅×−⋅+−=
− (2)
linearRHCtrueRHSOTRH +⋅+⋅−=
°00008,001,0)25( (3)
Onde: TSO é a leitura digital do sensor para a temperatura;
RHSO é a leitura digital do
sensor para a umidade relativa do ar; C
T°
é a temperatura em graus Celsius; linear
RH é a
umidade relativa do ar com compensação da não-linearidade do sensor; true
RH é a umidade
relativa do ar compensada em temperatura.
26
Assim, adequando as equações (1), (2) e (3) para implementação no
microcontrolador, as conversões para valores físicos foram realizadas de acordo com as
equações (4), (5) e (6). Foi considerada uma casa decimal para a temperatura e valores
inteiros para a umidade. Assim, a equação (4) implementa a conversão mostrada em (1)
multiplicada por 10.
40010
−=°
TC
SOT
(4)
357142
)(4
2000
)81(RHRHRH
linear
SOSOSORH
⋅−−
⋅=
(5)
linearCRH
true RHTSO
RH +⋅
−
+
⋅=
°
100
1)25(1
1000
)8(
(6)
3.3 SENSOR DE MOLHAMENTO FOLIAR
O molhamento foliar é um parâmetro agrometeorológico importante, pois
está relacionado diretamente com o desenvolvimento de doenças em plantas. Entretanto,
esta grandeza não está claramente padronizada na literatura.
De forma geral, o molhamento foliar está relacionado com a presença de
água visível ao olho humano na superfície de uma folha. Existem diferentes tipos de
sensores, e mesmo modelos matemáticos baseados em outras grandezas meteorológicas,
desenvolvidos para estimar o molhamento foliar. Em geral, o tipo de resposta gerada para
esta grandeza é do tipo “sim” ou “não”. Outra forma de análise relevante é a duração do
período de molhamento foliar (LWD), que corresponde ao intervalo de tempo em que a
superfície permanece molhada.
A Estação Agrometeorológica LA2I contém um sensor de molhamento
foliar capacitivo, desenvolvido por Pereira(2008). Este é um sensor tipo pente capacitivo,
baseado na variação de capacitância devido ao acúmulo de água em sua superfície. Este
sensor é mostrado na Figura 15.
27
Figura 15 - Sensor de molhamento foliar: (A) esquema; (B) foto do sensor.
Conforme descrito por Pereira (2008), este sensor apresenta uma
capacitância linear e diretamente proporcional à área molhada em sua superficie. Desta
forma, ao ser utilizado em conjunto com um temporizador TLC555CP, configurando o
multivibrador astável, mostrado na Figura 16, produz uma onda quadrada com período
também linear e diretamente proporcional à área molhada, de acordo com a Equação (7):
sensorsensor CCCRbRa
T ⋅×+×≅+⋅⋅+
=− 44
1 1094,61094,6)(44,1
)2(
(7)
Onde: T é o período do sinal de saída em segundos, e sensor
C é a capacitância do sensor.
Figura 16 - Multivibrador astável.
28
Assim, o molhamento foliar pode ser relacionado com o período do sinal de
saída. Uma vez que esta grandeza não é padronizada na literatura, pode-se atribuir um
valor limiar para o período para identificar as situações “molhado” ou “não-molhado”, ou
analisá-lo de forma linear, tal como em valor percentual. Em qualquer caso, deve-se ainda
definir as situações extremas, em que o sensor esteja “completamente seco” e
“completamente molhado”, de forma a realizar uma calibração do sensor. Entretanto, como
já foi mencionado, esta definição não é muito clara, pois não depende exclusivamente das
condições atmosféricas, mas também da interação com a cultura, e envolve questões como
por exemplo o vento. Nesse sentido, uma análise mais cuidadosa a respeito desta grandeza
deve ser feita, a qual não é realizada neste trabalho.
Dessa forma, este trabalho limita-se a avaliar as variações no período do
sinal de saída, sabendo que este é diretamente proporcional à quantidade de água presente
na superfície do sensor.
Para isto, o sinal de saída do multivibrador foi conectada ao pino 19 do
microcontrolador. Foi utilizado o módulo Timer Pulse-Width Modulation (TPM), operando no
modo input capture, para verificação do período. Este módulo contém um contador de 16
bits e um registrador de captura de 16 bits, e foi configurado para captura de borda de
subida. Nesse modo de operação, quando uma borda de subida ocorre, o valor atual do
contador de 16 bits é salvo no registrador de captura, e uma flag é setada indicando a
ocorrência do evento. Assim, conhecendo-se a frequência de contagem, o período do sinal
pode ser medido avaliando-se os valores capturados em duas bordas de subida
consecutivas, ou seja, o número de contagens durante um período.
A frequência de contagem foi configurada em 16MHz, que corresponde à
maior frequência possível utilizando o oscilador de 4 MHz disponível na Placa de
Desenvolvimento LA2I_HCS08. Isto proporciona então uma resolução de 0,0625 µs para o
período. Dessa forma, o período do sinal pode ser calculado multiplicando-se o número de
contagens entre duas bordas de subida por 0,0625 µs. Entretanto, uma vez que o
molhamento foliar é diretamente proporcional ao período do sinal de saída do multivibrador,
esse também é proporcional ao número de contagens obtido. Assim, o molhamento foliar
será avaliado em função do número de contagens.
3.4 SENSOR DE PRECIPITAÇÃO
Para as medidas de precipitação, foi utilizado o pluviômetro de báscula
modelo S2163 fabricado pela Squitter do Brasil (SQUITTER DO BRASIL, 2010), mostrado
29
na Figura 17. Este equipamento consiste em um funil coletor com diâmetro de 15,2 cm, o
qual direciona a água para um mecanismo de báscula de equilíbrio instável.
Figura 17- Pluviômetro de báscula: (A) visão externa; (B) sistema de báscula.
Um ímã é acoplado à báscula, o qual aciona momentaneamente uma
chave magnética a cada mudança de posição do mecanismo, causada pelo acúmulo de
água. Cada pulso gerado corresponde a 0,25 mm de chuva.
Este sensor foi ligado a uma entrada do microcontrolador, de acordo com o
diagrama da Figura 18. Um capacitor de 10nF foi utilizado como filtro. Similarmente à
medida do molhamento foliar, foi utilizado outro canal do módulo TPM, operando no modo
input capture, para captura dos pulsos gerados a cada movimento da báscula. Porém, neste
caso, este módulo do microcontrolador foi utilizado como uma fonte de interrupção.
MC9S08SH8PTA0 / TPM1CH0
Vdd
Vss
+5V
10k
10n PLUVIÔMETRO
Figura 18 - Conexão entre o pluviômetro e o microcontrolador.
30
Uma vez que o valor correspondente a cada pulso é conhecido, para
determinar o índice pluviométrico durante um determinado período, basta contar o número
de pulsos gerados durante este período e multiplicar por 0,25 mm.
3.5 SENSOR DE TENSÃO DA BATERIA
Para efeito de acompanhamento da autonomia da bateria de alimentação
do sistema, foi implementado um circuito para monitoramento da sua tensão. Uma vez que
esta grandeza não necessita ser determinada com grande precisão, foi utilizado
simplesmente um divisor resistivo, ligado à bateria de alimentação, conforme ilustrado na
Figura 19.
270k
150k
Vbateria
0
Vout
Figura 19- Divisor resistivo para monitoramento da tensão da bateria.
A relação entre a tensão de saída e a tensão na bateria pode ser dada por:
bateriabateriaoutVVV ⋅=⋅
+=
42
15
270150
150
onde out
V é a tensão de saída do sensor, a qual é ligada ao Conversor Analógico-Digital do
microcontrolador, e bateria
V é a tensão de alimentação do sistema. Esta relação é mostrada
na Figura 20.
31
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Vbateria (V)
Vo
ut
(V)
Figura 20 - Relação entre a tensão de alimentação do sistema e a tensão de saída do sensor.
Este circuito é então ligado ao pino 11 do microcontrolador, uma entrada
do Conversor Analógico-Digital. Com o objetivo de reduzir o uso de memória no
armazenamento dos dados, foi utilizado o modo de conversão com 8 bits de resolução.
O Conversor Analógico-Digital fornece um número de 8 bits diretamente
proporcional à tensão de entrada, com valor máximo para uma entrada igual à tensão de
alimentação do microcontrolador, ou seja, 5V. Então, a tensão a ser monitorada pode ser
determinada a partir de um byte lido do Conversor A/D pela equação (7). Considerou-se o
valor final com uma casa decimal, portanto foi implementa a conversão mostrada em (7)
multiplicada por 10.
255
)14( ⋅=
ADbateria
XV
(7)
Onde: bateria
V é tensão de alimentação do sistema, e ADX é um número de oito bits lido do
Conversor Analógico-Digital.
32
3.6 MODEM GPRS LA2I
Como suporte à transmissão de dados, foi utilizado o Modem GPRS LA2I.
Este é um circuito desenvolvido pelo Laboratório de Automação e Instrumentação Inteligente
da UEL, composto por um módulo GSM/GPRS SIM340DZ, o qual permite realizar
transmissões de voz, dados e SMS. O Modem GPRS LA2I é mostrado na Figura 21.
Figura 21- Modem GPRS LA2I.
O Modem GPRS LA2I possui uma entrada para SIM card (cartão
telefônico), o qual permite autenticação do cliente à rede GSM de uma operadora de
telefonia celular, e uma antena externa. O módulo SIM340DZ contém ainda um relógio
interno (Real-Time Clock), o qual pode ser configurado e mantém-se atualizado enquanto o
módulo permanecer energizado. Esta característica deste circuito foi utilizada na operação
da estação com transmissão de dados.
Na Figura 22, é apresentada a interface de comunicação entre o modem e
o microcontrolador. O Modem GPRS LA2I possui um pino de controle (Pw) que permite
colocar o modem em estado sleep, de baixo consumo de energia, enquanto o mesmo não
estiver em operação, ou retirá-lo deste estado. Esta comutação é feita através de um pulso
em nível alto neste pino, que deve ser gerado pelo microcontrolador. O estado do modem
pode ser verificado através do pino Ct, o qual é mantido em nível alto pelo modem enquanto
este está em modo sleep, ou em nível lógico baixo caso contrário. Os pinos Rx e Tx são
utilizados para comunicação serial com o microcontrolador.
33
MC9S08SH8
PTB5
PTB4
Vdd
Vss
MODEM GPRSLA2I
Pw
Rx
Vin
GND
+5V +12V (Bateria)
PTB1 / Tx
PTB0 / Rx
Ct
Tx
Figura 22 - Inteface de comunicação entre o microcontrolador e o Modem GPRS LA2I.
O acesso ao modem é feito através de comunicação serial em nível TTL
por meio de comandos AT padrão, uma linguagem de comandos composta por caracteres
ASCII que possuem, geralmente, um prefixo “AT”. Os principais comandos AT utilizados
para a aplicação na Estação Agrometeorológica LA2I são mostrados na Tabela 2.
Tabela 2 – Principais comandos AT utilizados.
Comando Descrição
AT Testa comunicação com modem, o qual retorna “OK”
AT+CCLK Configura ou lê a hora do Real-Time Clock do modem
AT+CDNSCFG Configura o serviço de DNS
AT+CDNSORIP Configura utilização de nome de domínio ou endereço IP
AT+CIPCLOSE Fecha uma conexão TCP ou UDP
AT+CIPCSGP Configura para modo de conexão CSD ou GPRS
AT+CIPSEND Envia uma mensagem ao dispositivo com o qual está
conectado.
AT+CIPSHUT Desconecta o modem de uma rede GSM. Fecha uma conexão
wireless.
AT+CIPSTART Inicializa uma conexão TCP com um endereço IP
AT+CLTS Retorna a hora atual da rede GSM.
AT+CSQ Retorna intensidade do sinal e taxa de erro de bit
34
O Modem GPRS LA2I foi utilizado para transmissão dos dados coletados
pela estação para um servidor na Internet. Para isto, é realizada uma conexão TCP/IP com
uma rede GSM, utilizando o serviço GPRS de uma operadora de telefonia celular. O
processo de conexão e envio de dados é mostrado na Figura 23.
Figura 23 - Comandos enviados ao modem para conexão e transmissão de dados.
Inicialmente, o microcontrolador envia ao modem um comando
configurando a utilização de um nome de domínio para a conexão (comando
AT+CDNSORIP). Em seguida, é configurado um provedor de DNS (Domain Name Service),
o qual permite obter o endereço IP associado a um nome de domínio (comando
AT+CDNSCFG). Neste caso, é utilizado o serviço DNS público do Google. Na sequência, o
microcontrolador envia o comando para configurar o modo de conexão GPRS (comando
AT+CIPSCGP), fornecendo os dados de configuração da operadora de telefonia (o APN, o
nome de usuário e a senha). Os dados das três operadoras utilizadas são mostrados na
Tabela 3. O próximo comando inicia a conexão (comando AT+CIPSTART). Neste comando,
é especificado o nome de domínio utilizado: daemon.la2i.com. Por fim, o microcontrolador
envia um comando iniciando a transmissão de dados (comando AT+CIPSEND). Nesse
35
momento, os dados a serem transmitidos são enviados pela SCI do microcontrolador, os
quais são então transmitidos por meio de um byte de comando “0x1A”. Vários pacotes de
dados podem ser enviados sequencialmente. Ao final da transmissão dos dados, a conexão
é finalizada (comandos AT+CIPCLOSE e AT+CIPSHUT).
Tabela 3 – Configurações das operadoras de celular utilizadas.
Operadora APN Usuário Senha
Claro claro.com.br claro claro
Tim tim.br tim tim
Vivo zap.vivo.com.br vivo vivo
36
4 ALGORITMO DE AQUISIÇÃO DE DADOS
Nesse trabalho, é proposto um algoritmo de aquisição de dados genérico,
que permite utilizar a Estação Agrometeorológica LA2I em diferentes aplicações nas quais
os intervalos de aquisição sejam distintos. Assim, o algoritmo proposto permite configurar os
intervalos de aquisição dos dados de cada um dos sensores da forma mais conveniente
para uma aplicação específica, dentro de alguns limites estabelecidos.
Foi proposto o método de aquisição de dados baseado em médias
aritméticas de diferentes leituras em um dado intervalo de tempo. Entende-se como “leitura”
uma aquisição instantânea de cada um dos sensores. A média aritmética de um conjunto de
diversas leituras em um período de tempo é referenciada aqui como uma “medida”. Assim, a
aquisição de dados se baseia em realizar, em intervalos regulares pré-configurados, leituras
dos sensores para cálculo das medidas correspondentes a um dado período de tempo. Este
método procura descrever as grandezas de forma mais homogênea entre os períodos de
aquisição.
Para isto, a estação deve ser configurada antes de ser colocada em
operação em campo. Esta configuração é feita por meio do Sistema de Acesso, utilizando a
conexão USB com um computador.
4.1 CONFIGURAÇÃO DA ESTAÇÃO
Para configuração da Estação, é realizada a comunicação entre o
microcontrolador e um computador por meio do conversor USB-Serial descrito no item 3.1.2.
Através do Sistema de Acesso, o computador envia comandos e dados ao microcontrolador,
responsáveis por quatro operações diferentes: configurar os parâmetros de funcionamento;
ler os parâmetros atuais da estação; ler os dados armazenados; ou reiniciar a estação.
Estes comandos são de códigos de caracteres ASCII. Ao receber um
conjunto de bytes na SCI, o microcontrolador analisa o comando identificando a operação
desejada, e executa as funções necessárias, bem como processa os dados recebidos ou
envia dados ao computador. Quando um código não conhecido é recebido, nenhuma ação é
tomada por parte do microcontrolador, uma vez que a SCI é compartilhada com o modem e,
portanto, este pode ser a fonte dos bytes não conhecidos. A Figura 24 mostra como esse
processo é feito, quando um conjunto de bytes é recebido pelo microcontrolador.
37
RECEBIMENTO DE UM CONJUNTODE BYTES
COMANDO 1?
COMANDO 2?
COMANDO 3?
COMANDO 4?
CONFIGURA PARÂMETROSDE FUNCIONAMENTO
RESPONDE “OK”
REINICIA ESTAÇÃO RESPONDE “OK”
RESPONDE “OK”ENVIA PARÂMETROS DE
FUNCIONAMENTO ATUAIS
RESPONDE “OK”ENVIA DADOS ARMAZENADOS
NA MEMÓRIA
RETORNA PARA AQUISIÇÃO DE DADOS
Sim
Sim
Sim
Sim
Não
Não
Não
Não
Figura 24 - Comandos recebidos pelo microcontrolador para configuração da Estação.
4.1.1 Configuração dos Parâmetros de Funcionamento
Os parâmetros de funcionamento da estação são mostrados na Tabela 4.
Estes parâmetros determinam o modo de operação da Estação bem como os tempos de
aquisição de dados.
O primeiro parâmetro define uma string de identificação da Estação, que
posteriormente é apresentada juntamente com os dados dos sensores, e
consequentemente, permite a identificação da origem dos dados.
38
Tabela 4 - Parâmetros de funcionamento da estação.
Parâmetro Valor Número
de Bytes
1 - Identificação da Estação String com até 6 caracteres 7
2 - Tempo entre leituras [s] Número entre 2 e 3600 2
3 - Número de leituras por medida Número entre 2 e 240 1
4 - Constante 1M Numero entre 5000 e 20000 2
5 - Constante 2M Numero entre 5000 e 20000 2
6 - Operadora 0, 1, 2 ou 3 1
7 - Número de medidas para envio Numero entre 5 e 1000 2
Os parâmetros 2 e 3 definem os intervalos de aquisição e armazenamento
de dados. As leituras dos sensores podem ser efetuadas em intervalos de dois segundos
até uma hora, e as medidas armazenadas na memória podem ser compostas por médias de
2 até 240 valores.
Os parâmetros 4 e 5 são duas constantes relacionadas ao sensor de
molhamento, as quais são utilizadas para parametrização da grandeza em valores
percentuais. Como mencionado na seção 3.3, o molhamento foliar pode ser avaliado em
função do número de contagens realizadas por um contador de 16 bits. Assim, estas
constantes 1M e 2M representam os valores mínimo e máximo de contagens
correspondentes aos estados “completamente seco” e “completamente molhado” do sensor
de molhamento, os quais podem ser obtidos através de uma caracterização deste sensor.
Porém, estas questões não são tratadas neste trabalho. Uma vez que estes valores sejam
definidos, estes são então utilizados, para parametrizar o molhamento foliar em valores
percentuais, de acordo com a Equação (8).
)(
)(100(%)
12
1
MM
MMM
−
−⋅=
(8)
Onde: M(%) é o valor percentual do molhamento foliar, o qual representa quanto o sensor
está molhado; 1M e 2M são respectivamente o número mínimo e o número máximo de
contagens do contador de 16 bits, para os estados “completamente seco” e “completamente
molhado”; M é o número de contagens do contador para um determinado estado do sensor.
39
O parâmetro 6 define o modo de operação da Estação: com envio de
dados ou sem envio de dados. O valor “0” para a operadora estabelece a operação sem
envio de dados. Neste modo de operação, os dados dos sensores são armazenados na
memória, e ficam disponíveis apenas pelo Sistema de Acesso pela operação de leitura dos
dados armazenados. Os valores “1”, “2” e “3” estabelem a operação com envio de dados,
utilizando as operadoras “Tim”, “Vivo” e “Claro”, respectivamente. Neste modo de operação,
os dados são enviados pelo modem a um servidor, por meio da rede GSM utilizando o
padrão GPRS, e então disponibilizados na Internet na página www.la2i.com/data. Neste
caso, o número de medidas que devem ser feitas entre cada envio de dados é determinado
pelo parâmetro 7.
Para que esta configuração seja feita, o microcontrolador deve receber
pela SCI um conjunto de 19 bytes do Sistema de Acesso, composto por dois bytes de
comando e 17 bytes com os parâmetros de funcionamento. O microcontrolador então
verifica o comando recebido, analisa a consistência dos dados e grava estes valores na
memória 24FC128. Em seguida, uma resposta é enviada ao Sistema de Acesso indicando
que a operação foi realizada com sucesso.
Uma vez que estes parâmetros estejam armazenados na memória
24FC128, eles serão utilizados como base para o funcionamento da estação. Portanto, esta
configuração deve ser feita no início da coleta de dados, mas pode ser modificada a
qualquer tempo.
4.1.2 Leitura dos Parâmetros Atuais
Por meio do Sistema de Acesso, pode-se realizar a leitura dos parâmetros
de funcionamento atuais da Estação. Para isto, o microcontrolador deve receber pela SCI
dois bytes de comando. Após verificação do comando recebido, o microcontrolador envia
uma resposta indicando que este foi reconhecido. Em seguida, efetua uma leitura dos
parâmetros armazenados na memória 24FC128 e envia estes dados pela SCI ao Sistema
de Acesso. As informações sobre os parâmetros de funcionamento atuais também são
mostrados durante a leitura ou envio dos dados.
4.1.3 Leitura dos Dados Armazenados
40
Pode-se também realizar a leitura das medidas armazenadas na memória
por meio do Sistema de Acesso. Para isto, o microcontrolador deve receber pela SCI dois
bytes de comando para leitura dos dados. O microcontrolador envia então uma resposta de
reconhecimento, e em seguida envia os parâmetros de funcionamento atuais e também
envia sequencialmente todos os dados dos sensores armazenados na memória. O
armazenamento das medidas na memória será discutido posteriormente na seção 4.2.
4.1.4 Reinicialização da Estação
Por fim, o microcontrolador pode ainda receber um comando para reiniciar
a Estação. Quando isto acontece, as medidas armazenadas na memória são descartadas, e
novos dados passam a ser armazenados.
4.2 OPERAÇÃO SEM TRANSMISSÃO DE DADOS
A aquisição de dados é feita com base nos parâmetros de funcionamento
discutidos anteriormente. São efetuadas leituras dos sensores de temperatura, umidade
relativa e molhamento foliar em intervalos de tempo definidos pelo parâmetro 2 – “Tempo
entre leituras”. Cada leitura corresponde a um valor instantâneo dos sensores, e assim
diversas leituras são utilizadas no cálculo de um valor médio para um determinado período
de tempo, resultando então em uma medida. O número de leituras utilizadas neste cálculo é
definido pelo parâmetro 3 – “Número de leituras por medida”.
Para as grandezas temperatura e umidade, foram realizadas as aquisições
do sensor com resoluções de 14 e 12 bits, respectivamente, e posteriormente foram
convertidos para valores físicos. Considerou-se a temperatura com uma casa decimal, e a
umidade relativa como valores inteiros. Portanto, foi considerado para uma leitura de
temperatura um valor em 2 bytes, enquanto para uma leitura de umidade relativa, apenas
um byte.
Para a realização de uma leitura do sensor de molhamento foliar, é
utilizado o método sugerido por Pereira(2008) baseado no cálculo de uma mediana de 5
valores. Este método consiste em utilizar cinco amostras da variável em questão, que é o
número de contagens do contador de 16 bits do módulo TPM, ordená-los e então considerar
o valor central, com o objetivo de eliminar possíveis valores discrepantes. Assim, uma leitura
41
de molhamento foliar é uma mediana de 5 amostras, e resulta em um dado de 2 bytes.
As leituras de cada um destes três sensores são então acumuladas até
atingir a quantidade de leituras configurada para compor uma medida. Quando isso
acontece, é realizado o cálculo da média para cada um destes sensores, de acordo com a
Equação (9), e os valores resultantes são armazenados na memória 24FC128. Além disto,
também é realizada uma aquisição do sensor da bateria, e o número de pulsos gerados pelo
pluviômetro durante este período é verificado. Então estes valores também são
armazenados na memória. O dado sobre a tensão da bateria ocupa um byte, enquanto a
medida de precipitação são utilizados dois bytes. Portanto, um conjunto de medidas ocupa
um total de oito bytes. Estes dados são armazenados sequencialmente na memória
24FC128, como mostra a Figura 25.
∑=
=
Q
i
iLQ
Me1
1
(9)
Onde: Q representa o número de leituras por medida, definido pelo parâmetro 3; Me
representa uma medida de temperatura, umidade relativa ou molhamento foliar; i
L é a
leitura de temperatura, umidade relativa ou molhamento foliar, de índice i , Qi ,...,1= .
Figura 25 - Medidas na memória 24FC128.
42
Dado o intervalo entre duas leituras, definido pelo parâmetro 2, o tempo
entre duas medidas pode ser obtido através da Equação (10):
leiturasmedidasTQT ⋅= (10)
Onde: Q representa o número de leituras por medida, definido pelo parâmetro 3; leituras
T
representa o intervalo de tempo entre duas leituras, dado em segundos; medidas
T representa o
intervalo de tempo entre duas medidas, dado em segundos.
Assim, de acordo com os valores limites mostrados na Tabela 4, o tempo
entre medidas pode ser configurado entre 4 segundos e 240 horas.
No modo de operação sem transmissão de dados, além das medidas dos
sensores e dos parâmetros de funcionamento discutidos anteriormente, existem ainda duas
variáveis que são armazenadas na memória 24FC128 e são atualizadas a cada novo
conjunto de medidas: uma variável composta por 2 bytes, a qual contém o número de
conjuntos de medidas armazenadas atualmente na memória, e um ponteiro que indica a
próxima posição de memória livre, a partir da qual pode ser escrito um novo conjunto de
medidas. Estes dados são armazenados na memória 24FC128 por ser uma memória não
volátil, e são atualizados a cada novo conjunto de medidas de forma a possibilitar o controle
dos dados armazenados por parte do microcontrolador. Assim, não ocorre prejuízo aos
dados em caso de desligamento proposital ou acidental da estação, por exemplo. A Figura
26 ilustra a organização da memória 24FC128 para o modo de operação sem transmissão
de dados.
Dessa forma, um total de 21 bytes são utilizados para gerenciar o
funcionamento da estação, ficando disponíveis 16362 bytes para armazenar os dados dos
sensores. Uma vez que um conjunto de medidas é composto por oito bytes, tem-se que a
estação é capaz de armazenar, neste modo de operação, até 2045 medidas de cada
sensor. Assim, o tempo de operação da estação, com relação à capacidade de memória,
depende da configuração dos tempos de aquisição, como é mostrado na Figura 27.
43
Figura 26 - Organização da memória 24FC128 no modo de operação sem transmissão de
dados.
Figura 27 - Tempo máximo de operação sem transmissão de dados: (A) em horas; (B) em dias.
44
4.3 OPERAÇÃO COM TRANSMISSÃO DE DADOS
O modo de operação com transmissão de dados é definido para o caso em
que o parâmetro de operação 6 – “Operadora” – seja diferente de zero. Neste caso, os
dados dos sensores são lidos, armazenados na memória, e são transmitidos pelo modem
após um determinado número de medidas.
A aquisição de dados dos sensores neste modo de operação é feita da
mesma forma que no modo sem transmissão de dados, descrita anteriormente. O
armazenamento dos dados também é feito de forma semelhante. Neste caso, porém, é
acrescentada uma informação de data e hora, como mostra a Figura 28.
PONTEIRO – HIGH BYTE
PONTEIRO – LOW BYTE
PARÂMETROS DE FUNCIONAMENTO17 BYTES
0x0000
0x0001
0x0002
0x0012
CONTADOR MEDIDAS – HIGH BYTE
CONTADOR MEDIDAS – LOW BYTE
0x0013
0x0014
CONJUNTO DE MEDIDAS 1(8 BYTES)
CONJUNTO DE MEDIDAS 2(8 BYTES)
...
CONJUNTO DE MEDIDAS n(8 BYTES)
...
0x0015 SINALIZAÇÃO DE DATA E HORA – HIGH BYTE
SINALIZAÇÃO DE DATA E HORA – LOW BYTE
DIA
MÊS
HORA
MINUTOS
0x0016
0x0017
0x0018
0x0019
0x001A
0x001B
0x0022
0x0023
0x002A
...
0x3FFF Figura 28 - Organização da memória 24FC128 no modo de operação com transmissão de
dados.
45
Neste modo de operação, antes do primeiro conjunto de medidas é
acrescentado um conjunto de 6 bytes. Os dois primeiros servem para indicar que os
próximos quatro bytes são informações de data e hora. Estes bytes contêm o dia, mês, hora
e minuto referente ao início do período de aquisição. Assim, uma vez que o intervalo entre
medidas é conhecido, pode-se obter o horário de cada medida subsequente.
As informações de data e hora são obtidas do modem, através da
comunicação pela SCI do microcontrolador. Inicialmente, durante a inicialização da estação,
o microcontrolador envia comandos para o modem obter a data e hora atual pela rede GSM,
e em seguida atualizar o relógio interno (Real-Time Clock). Posteriormente, o
microcontrolador solicita a data e hora atuais do relógio interno do modem, sem
necessidade de conexão com a rede. Após o número de medidas definido pelo parâmetro 7
– “Número de medidas para envio” –, é feito o envio dos dados através de uma conexão
GPRS, com a operadora definida no parâmetro 6, conforme descrito anteriormente na seção
3.6. O processo de aquisição e envio de dados é mostrado no diagrama da Figura 29.
Figura 29 - Processo de aquisição e transmissão de dados.
46
O processo de transmissão de dados se inicia com a retirada do modem
do modo sleep. Este é mantido normalmente neste estado para redução do consumo de
energia. Em seguida, a conexão é estabelecida e os dados são enviados. Então são
transmitidos os parâmetros de funcionamento atuais, e a intensidade de sinal e a taxa de
erro de bit, que são verificadas através do comando AT+CSQ. Em seguida, as informações
dos sensores armazenadas na memória são enviadas sequencialmente. Os dados são lidos
da memória, convertidos para valores físicos e transmitidos em forma de caracteres ASCII.
Uma vez que os dados tenham sido enviados com sucesso, a estação é
reinicalizada, descartando assim os dados armazenados na memória, liberando espaço para
que novos dados sejam armazenados. Porém, se a transmissão dos dados não for
completada por qualquer tipo de falha na conexão, os dados da memória são mantidos, e
uma nova tentativa de envio é feita após uma nova aquisição.
De forma semelhante à operação sem transmissão de dados, o tempo
máximo de operação da estação, quanto à capacidade de memória, está relacionado com a
configuração dos tempos de aquisição de dados. Neste caso, porém, os dados referentes à
data e hora devem ser considerados. Assim, considerando o pior caso, em que cada
conjunto de medidas seja composto por 8 bytes de dados dos sensores mais 6 bytes com
informações de data e hora, tem-se que a estação é capaz de armazenar pelo menos 1168
medidas de cada sensor. Neste caso, o tempo máximo de operação, em função do tempo
de aquisição, é mostrado na Figura 30.
Figura 30 - Tempo máximo de operação com transmissão de dados considerando o pior caso:
(A) em horas; (B) em dias.
47
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 31 mostra a Estação Agrometeorológica LA2I. Esta foi montada
com base no hardware descrito no Capítulo 3. Como pode-se verificar na Figura 31(A), o
sensor de temperatura e umidade relativa é mantido em um abrigo, construído de pratos
cerâmicos comuns, o qual tem a função de proteção do sensor. Acima do abrigo, é
posicionado o sensor de molhamento foliar. Mais ao alto, é posicionado o pluviômetro.
Pode-se verificar ainda o painel solar utilizado para carregar a bateria.
A Placa de Desenvolvimento LA2I_HCS08, o Modem GPRS LA2I, a
bateria de alimentação e demais componentes do circuito são mantidos em uma caixa de
proteção, a qual é mostrada na Figura 31(B).
Figura 31 - Estação Agrometeorológica LA2I: (a) visão geral; (b) interior da caixa de proteção.
Foram realizados testes em laboratório, e também em campo, para
verificar o funcionamento de cada um dos sensores, bem como o algoritmo de aquisição,
armazenamento e transmissão dos dados. Serão apresentados, então, dados coletados
pela Estação Agrometeorológica LA2I, durante o período em que esteve instalada no
Instituto Agronômico do Paraná (IAPAR), em Londrina, Paraná.
Para a realização destes testes, a estação foi configurada de acordo com
48
os parâmetros mostrados na Tabela 5. De acordo com estes valores, o tempo entre duas
medidas é de cinco minutos (uma medida sendo a média de cinco leituras, com uma leitura
por minuto). O envio dos dados é feito a cada 24 horas (288 x 5 minutos), utilizando a
operadora Tim.
Tabela 5 - Configuração dos parâmetros utilizada nos testes.
Parâmetro Valor Utilizado
1 - Identificação da Estação IAPAR
2 - Tempo entre leituras [s] 60
3 - Número de leituras por medida 5
4 - Constante 1M 11815
5 - Constante 2M 13730
6 - Operadora 1
7 - Número de medidas para envio 288
A Figura 32 mostra o formato de apresentação dos dados transmitidos pela
Estação. No início, é apresentado um cabeçalho contendo a identificação da Estação,
seguida do total de medidas armazenadas na memória, as quais estão sendo enviadas. Em
seguida, são apresentados os demais parâmetros de funcionamento configurados para a
estação. Ao final do cabeçalho, são mostrados os valores referentes à intensidade do sinal e
da taxa de erro de bit instantâneos no momento da conexão.
Na sequência, são apresentados a data e o horário do início do período de
aquisição, e em seguida os dados dos sensores. Estes são organizados em colunas
correspondentes às medidas de temperatura (°C), umidade relativa (%), molhamento foliar
(%), precipitação (mm), e tensão da bateria (V), respectivamente.
Assim, cada linha corresponde a um conjunto de medidas, e o horário de
cada medida pode ser calculado com base na hora inicial e nos parâmetros de
funcionamento. As Figuras 33 a 37 mostram gráficos com os dados coletados pela Estação,
nos dias 30 de setembro e 01 de outubro de 2010, em função do horário de cada medida, os
quais foram construídos a partir dos dados transmitidos pela Estação Agrometeorológica
LA2I.
49
Figura 32 - Formato de apresentação dos dados pela Estação Agrometeorológica LA2I.
Figura 33 - Dados de temperatura em 30/09/2010 e 01/10/2010.
50
Figura 34 - Dados de umidade relativa em 30/09/2010 e 01/10/2010.
Figura 35 - Dados de molhamento foliar em 30/09/2010 e 01/10/2010.
51
Figura 36 - Dados de precipitação em 30/09/2010 e 01/10/2010.
Figura 37 - Dados da tensão da bateria em 30/09/2010 e 01/10/2010.
52
As Figuras 33 a 37 mostram que as grandezas temperatura e umidade
relativa variam de forma esperada ao longo dos dois dias em análise, considerando que o
pluviômetro registrou chuva no segundo dia. Da mesma forma, observa-se um aumento da
tensão da bateria nos horários de maior incidência da luz solar, devido à conversão de
energia realizada pela célula fotovoltaica.
Quanto aos dados de molhamento foliar, pode-se observar a variação
detectada pelo sensor ao longo do dia. Entretanto, os dados ultrapassam os valores limites
de 0 e 100%, indicando que as constantes 1M e
2M utilizadas para a normalização não são
exatos. Um valor para o molhamento foliar superior a 100% indica que o número de
contagens efetuadas no processo de medição foi superior ao valor máximo 2M
estabelecido, ou seja, nessas condições o sensor estaria “mais molhado” do que a condição
“totalmente molhado”. De forma análoga, um valor menor do que 0% indica que o número
de contagens foi inferior ao valor mínimo 1M estabelecido, indicando que o sensor estaria
“mais seco” do que a condição “totalmente seco”. Apesar disto, pode-se verificar que o
sensor registra as variações associadas ao molhamento foliar, da forma esperada.
Nas Figuras 38 a 42, são apresentados dados coletados em um período
maior de tempo, composto por 14 dias de aquisição, com início no dia 24 de setembro de
2010. Dentro deste período, são mostrados ainda dados de temperatura e umidade relativa
obtidos de outros instrumentos do IAPAR, instalados ao lado da Estação Agrometeorológica
LA2I, durante um período de quatro dias. Estes gráficos mostram os dados em função do
número de dias percorridos a partir da data inicial, considerando 00:00 horas como horário
inicial.
53
Figura 38 - Dados de temperatura entre 24/09/2010 e 08/10/2010.
Figura 39 - Dados de umidade relativa entre 24/09/2010 e 08/10/2010.
54
Figura 40 - Dados de molhamento foliar entre 24/09/2010 e 08/10/2010.
Figura 41 - Dados de precipitação entre 24/09/2010 e 08/10/2010
55
Figura 42 - Dados da tensão da bateria entre 24/09/2010 e 08/10/2010.
Com base nas Figuras 38 a 42, verifica-se que os valores de temperatura e
umidade apresentaram valores médios superiores aos registrados pelos instrumentos do
IAPAR, no período em que esta comparação é feita. Esta diferença possivelmente seja
devido às características físicas do abrigo em que o sensor é posicionado. Apesar disto,
observa-se que as variações registradas em ambos os casos é muito semelhante.
Em relação ao molhamento foliar, conforme mencionado anteriormente,
faz-se necessária uma definição do conceito de “totalmente molhado” e “totalmente seco” e
de uma caracterização do sensor, de forma a identificar os melhores valores para as
constantes 1M e
2M e assim obter os valores para esta grandeza, em valores percentuais,
de forma mais adequada. Pode-se observar ainda que o sensor indica valores relativamente
elevados para o molhamento foliar mesmo em dias sem chuva. Porém, sabe-se que o
molhamento foliar se dá também devido a outros fatores, como por exemplo o orvalho, o
que confirma a consistêcia dos dados observados.
Foi observado ainda que a tensão da bateria apresentou uma tendência de
queda nos 10 primeiros dias, considerando que cinco destes foram dias chuvosos. Apesar
disto, foi possível manter a autonomia energética do sistema durante o período de testes
56
6 CONCLUSÃO
Com base nos testes realizados, verificou-se que a aquisição e o
armazenamento dos dados apresentaram resultados muito satisfatórios, quanto à segurança
e integridade dos dados.
A transmissão dos dados também se mostrou eficiente, embora
dependente da qualidade de sinal. Foram verificadas algumas falhas na transmissão devido
a problemas de conexão, porém em todos os casos o sistema comportou-se de forma
esperada, mantendo as informações de data e hora atualizadas e garantindo a integridade
dos dados até obter sucesso no envio. Dessa forma, o sistema mostrou-se confiável, de
forma geral.
Com relação aos dados observados, as variações observadas nos valores
medidos para todas as grandezas foram consistentes. Quanto à exatidão destes valores,
faz-se necessário um estudo mais detalhado sobre estas e sobre as demais grandezas, no
que se refere à comparações com dados de outras fontes, para uma melhor avaliação.
Considerando ainda os dados da tensão da bateria observados, considera-se que a
autonomia energética do sistema também deve ser um objeto de novos estudos.
De forma geral, pode-se dizer que o sistema apresentou resultados
satisfatórios, de acordo com a proposta de funcionamento definida. Entretanto, este sistema
apresenta algumas limitações, que devem ser consideradas.
A identificação do horário de cada medida está restrita ao modo de
operação com transmissão de dados, além de ser dependente do sinal da operadora no
momento da energização do sistema. No modo de operação sem a transmissão, é
conhecido apenas o intervalo entre as medidas, de forma que o horário inicial deve ser
observado para possibilitar a identificação dos momentos das medidas subseqüentes.
Além disto, existe um atraso na aquisição de dados relativo ao tempo
necessário para a transmissão dos dados. Verificou-se nos testes realizados que este atraso
é, geralmente, da ordem de 5 minutos. Nesse sentido, a cada 24 horas existe um período de
5 minutos em que a aquisição de dados não é feita. Como conseqüência, o horário de envio
dos dados não é fixo, pois também sofre o mesmo atraso. Considerando a análise gráfica
dos dados, este atraso pode ser considerado imperceptível. Entretanto, isto pode causar
dificuldades para um possível sistema de análise automático dos dados.
Por fim, foi observada uma dificuldade no desenvolvimento do sistema
devido ao fato de que o Modem e o conversor USB-Serial compartilham a mesma SCI do
microcontrolador.
Visando então solucionar estas questões, algumas propostas de melhorias
para trabalhos futuros estão sendo estudadas. Propõe-se desenvolver um novo circuito
57
dedicado à Estação, em substituição à Placa de Desenvolvimento atual. Propõe-se ainda
utilizar outro microcontrolador, com interface USB, elmiminando assim a necessidade de um
conversor USB-Serial. Além disso, utilizar um circuito integrado Real-Time Clock, que
possibilite maior flexibilidade no registro do horário de cada medida, em qualquer um dos
modos de operação da Estação. Por fim, é proposto melhorar o software de aquisição de
dados, para permitir aquisição e envio de dados em períodos fixos, eliminando assim os
atrasos existentes.
58
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