XIII Simp osio Brasileiro de Automac a~o Inteligente Porto ... · ture Sensor), como o proprio nome...

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  • SISTEMA DE AQUISICAO DE DADOS AMBIENTAIS PARA ESCOLHA DECULTURA

    Arthur Oliveira Viana Danilo Duarte Lisboa Agnaldo Jose da Rocha Reis AlanKardek Rego Segundo

    Departamento de Engenharia de Controle e Automacao e Tecnicas Fundamentais-DECATEscola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP

    Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil

    Email: [email protected], [email protected], [email protected],[email protected]

    Abstract Plant cultivation requires special care in relation to the climatic conditions of the region andeven the specific planting site. Florals, small plants and small legume crops are very popular and often they donot develop or even survive because of the wrong choice of environment or the type of plant. Factors such asluminosity, temperature and relative humidity of the environment should be taken into account when selectingthe crop. Therefore, the present work consists in the analysis of the parameters mentioned using the Arduinoplatform. A data acquisition system was developed with the purpose of directing the users decision regardingthe type of crop suitable for cultivation, according to the conditions of the environment.

    Keywords Data acquisition, Arduino, horticulture, climatic conditions

    Resumo O cultivo de plantas requer um cuidado especial em relacao as condicoes climaticas da regiao e atemesmo do local especfico de plantacao. Florais, plantas de pequeno porte e pequenas culturas de leguminosas saomuito populares e muita vezes elas nao se desenvolvem ou nem chegam a sobreviver devido a escolha equivocadado ambiente ou do proprio tipo de plantacao. Fatores como luminosidade, temperatura e umidade relativa doambiente devem ser levados em consideracao no momento de selecao da cultura. Diante disso, o presente trabalhoconsiste na analise dos parametros citados utilizando a plataforma Arduino. Um sistema de aquisicao de dadosfoi desenvolvido com o objetivo de direcionar a decisao do usuario em relacao ao tipo de cultura adequado parao cultivo, de acordo com as condicoes do ambiente.

    Palavras-chave Aquisicao de dados, Arduino, horticultura, condicoes climaticas

    1 Introducao

    O clima e fundamental para o desenvolvi-mento de plantas. Fatores como temperaturae luminosidade podem interferir de forma bene-fica ou malefica no desenvolvimento da planta.Sendo assim, controla-los e de suma importan-cia para obtencao de melhores resultados (Santoset al., 2010).

    Os atributos climaticos tem recebido especialatencao em estudos de areas das ciencias aplica-das, pois influenciam de forma direta e indireta nocomportamento da vida na terra. Dentre as diver-sas variaveis climaticas encontra-se a precipitacaopluviometrica, sendo uma das principais variaveisutilizadas em projetos urbanos, agrcolas e ambi-entais. Devido a sua importancia, esse atributoclimatico e objeto de diversos estudos cientficosque visam caracterizar o seu comportamento tantono espaco quanto no tempo (Siqueira, 2007).

    O clima e um fator que influencia a producaode hortalicas. Em algumas regioes no verao, a altapluviosidade e temperatura interferem na quali-dade e producao das hortalicas e criam condicoesfavoraveis para o aparecimento de doencas. Poroutro lado, o frio e os ventos do inverno acabamprolongando o ciclo dessas culturas (Goto and Ti-velli, 1998).

    A literatura sobre a possibilidade do uso doArduino para a medicao de variaveis relacionadas

    a horticultura e relativamente recente. Existemprojetos que trabalham com o Arduino e seguemprincpios similares ao deste. Nesta linha podemser citados as aplicacoes de [4] no monitoramentode diversas variaveis fsicas para uso academico,o trabalho de [5] para o monitoramento da agri-cultura, [6] para o monitoramento da temperaturaem centros de computacao de alto desempenho e[7] para o monitoramento da qualidade de ar noambiente urbano.

    O objetivo do estudo apresentado neste tra-balho e desenvolver um sistema de aquisicao dedados de baixo custo a partir do Arduino para ava-liar as condicoes climaticas do ambiente e auxiliarna tomada de decisao sobre cultivo de plantas.

    2 Desenvolvimento

    2.1 Fundamentacao Teorica

    O primeiro parametro a ser avaliado e a tem-peratura do ambiente onde as plantas irao ser cul-tivadas, pois ela interfere diretamente no desenvol-vimento das plantas. Normalmente, quanto maiora temperatura, maior sera o crescimento. As es-pecies vegetais, assim como outro organismos vi-vos, possuem temperatura mnima e maxima parasobreviver e temperatura otima, na qual o desen-volvimento sera maximo.

    O segundo parametro a ser analisado pelo sis-

    XIII Simposio Brasileiro de Automacao Inteligente

    Porto Alegre RS, 1o 4 de Outubro de 2017

    ISSN 2175 8905 1839

  • tema e a taxa de luminosidade. Toda fonte deluminosidade, seja natural ou artificial, emite ra-diacao. A radiacao solar e essencial para a fi-xacao de CO2, devendo ser o primeiro elementoa ser condicionado no processo de producao. Ataxa de luminosidade aceitavel em plantacoes edefinida de acordo com o tipo de planta que estase cultivando. A luz, por ser fonte primaria deenergia relacionada a fotossntese (Campos andUchida, 2002) e fenomenos morfogeneticos (Taizand Zeiger, 2009), e um dos principais fatores queinfluenciam o crescimento e o desenvolvimento dosvegetais. Todas as plantas tem habilidade paramodificar o seu modelo de desenvolvimento emresposta ao ambiente luminoso (Holt, 1995).

    O terceiro parametro a ser analisado e a umi-dade relativa do ar, que tambem interfere direta-mente no desenvolvimento das plantas. Ela estavinculada ao equilbrio hdrico das culturas, emque um deficit pode alterar a evapotranspiracao,alterando a capacidade do sistema radicular de ab-sorver a agua e o nutriente. Dessa forma, o manejoda umidade do ar tambem vai depender da cul-tura, visando atender sua fisiologia de crescimentoe desenvolvimento (Purquerio and Tivelli, 2006).

    2.2 Materiais

    Para o desenvolvimento do Sistema de aqui-sicao de dados e monitoramento foi necessario autilizacao de um microcontrolador. A plataformaescolhida na realizacao deste trabalho foi o Ar-duino, popularizado por sua ampla gama de apli-cacoes, simplicidade de programacao e uso aberto.

    O Arduino UNO e uma placa de prototipagembaseada no Microcontrolador ATmega328. Elepossui 14 pinos de entrada/sada digital (dos quais6 podem ser usados como PWM) e 6 entradasanalogicas, com um conversor analogico/digital(ADC) de 10 bits. Seu clock e alimentado porum cristal oscilador de 16MHz. Ha tambem regu-ladores de tensao embutidos, uma conexao USB,uma entrada de alimentacao, uma conexao ICSPe um botao de reset. Resumindo, e uma plata-forma pronta para diversos tipos de testes e pro-jetos, bastando conectar ao computador atravesde sua IDE propria, que e rica em bibliotecas quefacilitam a programacao.

    O Arduino foi desenvolvido na Italia em 2005por um grupo de pesquisadores com o intuito deser utilizado na comunidade academica, principal-mente em aulas do Instituto de Design Interativode Ivrea (IDII). Desde o princpio, o projeto Ar-duino foi regido pela filosofia opensource, ou seja,de abertura para acesso a informacoes acerca deseu hardware (Arduino, 2016).

    Para o desenvolvimento do sistema de aquisi-cao de dados sao necessarios, alem do microcon-trolador, sensores que mensurem as variaveis a se-rem estudadas. Utilizou-se neste trabalho o sensor

    de temperatura e umidade relativa do ar DHT11e o sensor de luminosidade LDR. Alem deles, fo-ram utilizados os modulos: Real Time Clock RTCDS1307 e um cartao SD Card.

    O DHT11 (Digital Humidity and Tempera-ture Sensor), como o proprio nome sugere, e umsensor digital de temperatura e umidade relativado ar. Sua faixa de medicao varia de 0 a 50 grausCelsius para a temperatura e de 20 a 90% paraa umidade relativa do ar, com precisao de 2,0graus Celsius e 5,0%, respectivamente. Quandoo sensor recebe um sinal de requisicao do Micro-controlador, ele transmite de volta seus dados deleitura em forma de pulsos. Esse procedimentodescrito pode levar ate 270ms e, ainda, necessitade um intervalo mnimo de 2 segundos para esta-bilizar uma nova leitura.

    O LDR ou fotorresistencia e um componentedo tipo resistivo, que apresenta resistencia varia-vel de acordo com a intensidade de luz incididasobre ele. Os fotons da luz que incidem sobre osemicondutor liberam eletrons para a banda con-dutora que irao melhorar a sua condutividade e,assim, diminuir a resistencia.

    O circuito da figura 1 montado para o LDRfunciona como um divisor de tensao, em que ovalor da resistencia do LDR pode ser obtido pelaequacao 1:

    RLDR = R1 Va

    Vcc Va(1)

    Em que Vcc e a tensao de alimentacao do cir-cuito e a referencia do conversor A/D, que corres-ponde a 5 volts. Va e tensao obtida com a leiturada porta analogica A3 do Arduino e R1 uma re-sistencia de 10k. A calibracao do sensor foi rea-lizada atraves da equacao 2, em que L representaa intensidade luminosa em lux:

    L = 5 107 R1,625LDR (2)

    Figura 1: Circuito LDR.

    O chip DS1307 presente no modulo Real TimeClock (RTC), e um relogio de tempo real com ca-lendario completo e mais de 56 bytes de SRAM,

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  • sendo capaz de fornecer informacoes como se-gundo, minutos, dia, data, mes e ano. Acompanhauma bateria que e acionada assim que e detectadouma falta de energia, garantindo a hora e datasempre atualizadas, uma vez que gravadas. Uti-liza o protocolo I2C para comunicacao, que e feitacom o Arduino pelas portas A4 e A5.

    O Arduino UNO possui 1KB de memoria EE-PROM (de Electrically-Erasable ProgrammableRead-Only Memory) que pode ser usada para gra-var dados. No entanto, nao possui tamanho sufi-ciente para o tipo de aplicacao em questao. Pararesolver o problema, foi utilizado um modulo decartao SD, que utiliza a comunicacao SPI com oArduino pelas portas digitais 11, 12 e 13.

    Alem desses componentes foram utilizadosfios, resistores, LEDs e uma bateria de 9V paraa montagem do circuito eletrico responsavel pelosistema.

    2.3 Metodos

    A Figura 2 mostra o circuito eletronico do sis-tema, indicando a ligacao entre os componentesutilizados e o Arduino, assim como as entradas esadas utilizadas. A Figura 3 apresenta o proto-tipo do esquema de ligacoes com os componentesacima descritos montados em um protoboard, li-gado ao Arduino Uno.

    Figura 2: Circuito eletronico.

    Figura 3: Primeiro prototipo.

    Um sistema supervisorio foi desenvolvido es-pecialmente para a aplicacao. Ele estabelece umacomunicacao serial com o Arduino, bem como re-aliza o tratamento e analise dos dados, fornecendouma interface grafica para o usuario. O programafoi desenvolvido no Visual Studio para o sistemaoperacional Windows 7 ou superior. A tela inicialdo supervisorio e representada pela Figura 4.

    Figura 4: Tela Inicial do Supervisorio.

    O Arduino foi programado para as duas eta-pas do processo de aquisicao: (i) leitura e grava-cao dos dados; e (ii) transferencia de dados parao supervisorio. Na primeira etapa, o sistema deveser posicionado no local onde se deseja adquirir osparametros. Feito isso, o botao principal deve serpressionado para iniciar a aquisicao. Os LEDs in-dicam se o sistema esta funcionando corretamentee quando a etapa e concluda.

    Na segunda etapa, o sistema supervisorio deveser inicializado e o Arduino deve ser conectado aocomputador, via USB. Quando os LEDs indica-rem a conexao, deve-se pressionar o botao IniciarDownloadpara transferir os dados. A comunica-cao serial e realizada por meio do modulo con-versor UART-USB do Arduino, que simula umaporta COM no computador. O software calculaa media horaria dos valores que foram obtidos acada tres segundos e os acumulam em uma novatabela. O fluxograma do funcionamento do sis-tema desenvolvido e representado na Figura 5.

    Figura 5: Fluxograma geral do sistema

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  • 2.4 Realizacao do Experimento

    Durante o desenvolvimento, o sistema de aqui-sicao de dados passou por diversas rotinas de teste.Uma dessas rotinas foi um experimento realizadoa partir das etapas descritas na secao 2.3 de Me-todos, com perodo de duracao de tres dias. Nesteexperimento registraram-se os dados de tempera-tura, umidade relativa e luminosidade no interiorde um ambiente domiciliar proximo a uma janela.

    A partir dos dados coletados neste experi-mento fez-se a comparacao com os parametros debase de algumas culturas escolhidas para esse es-tudo de caso, que sao apresentados na Tabela daFigura 6.

    Figura 6: Tabela dos Parametros de base

    A comparacao tem o objetivo de analisar amedia das variaveis, obtidas pela aquisicao de da-dos do sistema (temperatura, luminosidade e umi-dade), e verificar se, com base nos parametros databela, o ambiente estudado atende aos requisi-tos para o otimo desempenho da plantacao e, comisso, possa auxiliar o usuario em que tipo de plan-tas sao adequadas para o cultivo ou quais para-metros devem ser alterados (Atherton and Ru-dich, 2012).

    3 Resultados Preliminares

    Os dados coletados pelo sistema desenvolvidoforam, para fins de analise, comparados qualitati-vamente aos parametros de base das culturas. NaFigura 7 sao apresentados os dados obtidos pelosistema durante o perodo de aquisicao, em umatabela contida no programa supervisorio. Comodescrito, os dados sao agrupos por media horaria.Nessa descricao informam-se tambem os picos demnimo e maximo diario.

    Figura 7: Tabela de dados obtidos.

    Em seguida, na Figura 8, sao apresentados osgraficos de luminosidade, temperatura e umidadeem funcao do perodo de analise, coletados pelosistema supervisorio desenvolvido. Vale lembrarque nas Figuras 7 e 8 estao apenas representa-dos os dados obtidos pelo sistema. Tais valorespassaram por um filtro de media e desvio padrao,eliminando possveis rudos nas leituras. O com-portamento dos parametros ao longo do dia nao foiestudado a fundo, mas ao menos a sua represen-tacao foi bem demonstrada, sendo uma boa basepara trabalhos futuros.

    Figura 8: Graficos de temperatura, umidade rela-tiva e luminosidade.

    O software desenvolvido relaciona os dadosobtidos com os parametros de base e apresentaas correcoes das variaveis estudadas com o obje-tivo de instruir a tomada de decisao sobre comocorrigir os parametros do ambiente ou escolheruma cultura adequada (Figura 9). Nas colunasde correcao, valores positivos indicam que o ambi-ente analisado esta com uma media do parametroabaixo do ponto otimo para respectiva cultura (li-nha da tabela), ja os valores negativos sugerem ooposto.

    Figura 9: Analise e correcao das variaveis.

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  • 4 Consideracoes Finais

    No presente trabalho construiu-se um sistemade aquisicao de dados para registro de dados detemperatura, umidade e luminosidade. Este pro-totipo e capaz de registrar tres variaveis de inte-resse e apresenta um custo bastante reduzido.

    O sistema obteve boa performance e atingiuos resultados esperados, auxiliando o usuario natomada de decisoes sobre qual tipo de cultura eadequada ao cultivo ou quais parametros devemser alterados para otimizacao da plantacao.

    Concluda essa etapa de construcao e valida-cao do prototipo, em um trabalho futuro pretende-se realizar um experimento em que, alem de anali-sar os parametros de base e orientar na tomada dedecisoes, o sistema possa atuar de modo automa-tico, corretivo e preditivo, com o intuito de pro-ver um melhor desenvolvimento e gerenciamentodo cultivo de plantas. A proposito, para maioreficiencia no funcionamento de um sistema auto-matico, seria interessante a analise do solo comoparametro. Para isso, deveria se estudar a imple-mentacao de sensores de baixo custo de umidade epH, que atendam aos criterios de comparacao. Pa-ralelamente, um estudo aprofundado do compor-tamento das variaveis aqui mensuradas ao longodo dia e/ou perodos maiores tambem se faz ne-cessario.

    Referencias

    Arduino, M. (2016). Disponvel em:, Acesso em7 .

    Atherton, J. and Rudich, J. (2012). The to-mato crop: a scientific basis for improve-ment, Springer Science & Business Media.

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    Goto, R. and Tivelli, S. (1998). Producao dehortalicas em ambiente protegido: condicoessubtropicais, Sao Paulo: UNESP pp. 161193.

    Holt, J. S. (1995). Plant responses to light: apotential tool for weed management, WeedScience pp. 474482.

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    Siqueira, H. R. (2007). Comportamento da pre-cipitacao pluviometrica mensal do estado deminas gerais: analise espacial e temporal, Ho-rizonte Cientfico 1(1).

    Taiz, L. and Zeiger, E. (2009). Fisiologia vegetal,Fisiologia vegetal, Artmed.

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