SENSOR PARA MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO UTILIZANDO ENERGIA SOLAR
Matheus Souza de Carvalho
Orientador:
Luis Rodolfo Rebouças Coutinho
Bacharelado em Engenharia de Software
Trabalho de Conclusão de Curso
Roteiro
• Introdução
• Objetivo
• Trabalhos Relacionados
• Fundamentação Teórica
• Procedimentos Metodológicos
• Resultados
• Trabalhos Futuros
• Referências
Introdução
Agricultura70%
Indústria20%
Doméstico10%
Consumo de água no mundo em 2012
IntroduçãoSensores para
Agricultura de Precisão
Monitores de Produção
Sensores de Campo
Sensores de Solo
Propriedades Alvo
- Textura- Umidade- Nutrientes- pH- Compactação
Sensores de Planta
Propriedades Alvo
- Deficiências- Stress
Estacionários e outros sensores
Sistemas de Sensoriamento
Remoto
Adaptado de: http://www.regional.org.au/au/asa/2004/symposia/4/3/217_dobermanna.htm
Objetivo
Desenvolver um protótipo plug-and-playcontrolado via comunicação sem fio, queforneça informações sobre a umidade do solo,alimentado por energia solar e com um baixocusto de produção.
Trabalho Relacionados
• HANGGORO, Aji et al. Green house monitoring and controlling using Android mobile application. In: QiR (Quality in Research), 2013 International Conference on. IEEE, 2013. p. 79-85.
• SILVA, D. et al. Controle automático da umidade do solo com energia solar para pequenos produtores. In: Embrapa Pantanal-Artigo em anais de congresso (ALICE). In: SIMPÓSIO SOBRE RECURSOS NATURAIS E SOCIOECONÔMICOS DO PANTANAL, 6.; EVENTO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO PANTANAL, 1., 2013, Corumbá, MS. Desafios e soluções para o Pantanal: resumos. Corumbá: Embrapa Pantanal, 2013.
Sensor de Umidade do Solo
Fundamentação Teórica Sensor de umidade do solo
Categorias de métodos para medição de umidade do solo
Métodos Diretos Métodos Indiretos
Fundamentação Teórica Sensor de umidade do solo
Categorias de métodos para medição de umidade do solo
Métodos Diretos Métodos Indiretos
“Sensor é um dispositivo que gera uma grandeza no domínioda eletricidade que pode ser utilizada como medida de umparâmetro físico, químico ou biológico. No caso do sensorde umidade, informações de grandezas no domínio daeletricidade representam a medida de umidade no solo.(DE SOUZAMENDES, 2006, p.27).
Fundamentação Teórica Sensor de umidade do solo
Sensor de umidade do solo
Capacitivo Resistivo Outros
Fundamentação Teórica Sensor de umidade do solo
• Sensor capacitivo de umidade do solo
http://www.decagon.com.br/solos/sensores-umidade/ec-5/
Decagon EC-5
Fundamentação Teórica Sensor de umidade do solo
• Sensor resistivo de umidade do solo
http://pt.aliexpress.com/item/Soil-Hygrometer-Humidity-Detection-Module-Moisture-Water-Sensor-for-Arduino/32590228315.html
FC-28 + módulo
Fundamentação Teórica Sensor de umidade do solo
Sensor Capacitivo
Maior Precisão
Maior Proteção à Corrosão
Sensor Resistivo
Menor CustoX
Fundamentação Teórica Sensor de umidade do solo
Sensor Capacitivo
Maior Precisão
Maior Proteção à Corrosão
Sensor Resistivo
Menor CustoX
Processo de Desenvolvimento de
Sistemas Embarcados
Visão geral do processo de desenvolvimento de sistemas
embarcados
Definição de Subsistemas
Procedimentos MetodológicosProcesso de desenvolvimento de sistemas embarcados
Desenvolver Subsistema
Procedimentos MetodológicosProcesso de desenvolvimento de sistemas embarcados
Integração de Subsistemas
Procedimentos MetodológicosProcesso de desenvolvimento de sistemas embarcados
Procedimentos Metodológicos
• Projetar o circuito elétrico do protótipo.
• Analisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo
• Desenvolver o firmware para o microcontrolador.
• Desenvolver a aplicação para comunicação com o protótipo.
• Testar e acompanhar o protótipo em execução.
• Analisar e avaliar os resultados obtidos nos testes.
Procedimentos Metodológicos
• Projetar o circuito elétrico do protótipo.
• Analisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo
• Desenvolver o firmware para o microcontrolador.
• Desenvolver a aplicação para comunicação com o protótipo.
• Testar e acompanhar o protótipo em execução.
• Analisar e avaliar os resultados obtidos nos testes.
Procedimentos MetodológicosIdentificação de subsistemas
• Subsistemas são módulos de hardware com finalidadesespecíficas que integram todo o sistema embarcado.
Fonte de energia(Painel fotovoltaico + Super capacitor)
Sensor resistivo de umidade do
soloMicrocontrolador
Dispositivo de comunicação
wireless
Dispositivo de comunicação wireless
Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Dispositivo de comunicação wireless
• É o subsistema responsável por efetuar a comunicaçãosem fio entre o microcontrolador e outro dispositivo quese comunique com o seu semelhante presente noprotótipo.
Aplicação requisitante
genérica
Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Dispositivo de comunicação wireless > Bluetooth
• O dispositivo Bluetooth, que foi primeiramenteselecionado, permite conexão ponto-a-ponto, tendo suacomunicação ilustrada abaixo.
Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Dispositivo de comunicação wireless > NRF24L01
• O dispositivo NRF24L01, que está presente no protótipofinal, permite conexão de múltiplos dispositivos namesma rede. A ilustração da comunicação abaixodemonstra o caso de teste abordado pelo trabalho.
Transmissor
Receptor
Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Dispositivo de comunicação wireless > Comparativo
• Comparativo entre os dispositivos wireless utilizados.
Dispositivo
wireless
Consumo com tensão
de 3.3V
Custo médio de
aquisição
NRF24L01 12mAEntre R$7,00 e
R$11,00
Bluetooth 50mAEntre R$22,00 e
R$30,00
Microcontrolador
Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Microcontrolador
• Microcontrolador é o subsistema responsável porcoordenar todos os módulos de hardware do protótipo,exceto o subsistema gerenciador de energia. Para estetrabalho, foi utilizado o ATMega328P, que tem como suafabricante a ATMEL.
• Seu custo médio no mercado se encontra entre R$11,00 eR$16,00.
Gerenciador de Energia(Painel Fotovoltaico + Super Capacitor)
Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Gerenciador de energia
• Subsistema responsável por prover e gerenciar a energiautilizada pelos demais subsistemas.
Protótipo
Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Gerenciador de energia
• Subsistema responsável por prover e gerenciar a energiautilizada pelos demais subsistemas.
Protótipo
Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Gerenciador de energia
• Diagrama esquemático
Procedimentos MetodológicosSubsistemas > Gerenciador de energia
Componente Custo médio de aquisição (un)
R1 R$0,50
R2 R$0,05
D1 R$0,50
D2 R$0,50
Q1 R$0,30
U3 R$4,00
U4 R$3,00
C1 Entre R$4,00 e R$8,00
Painel Solar Entre R$20,00 e R$30,00
Procedimentos MetodológicosProjetar circuito elétrico final do protótipo
Procedimentos Metodológicos
• Projetar o circuito elétrico do protótipo.
• Analisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo
• Desenvolver o firmware para o microcontrolador.
• Desenvolver a aplicação para comunicação com o protótipo.
• Testar e acompanhar o protótipo em execução.
• Analisar e avaliar os resultados obtidos nos testes.
Procedimentos MetodológicosAnalisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo
• Relação entre componentes adaptados e componentesideais.
Identificador do
componente
Componente
Adaptado
Componente
Ideal
Q1 BC557BS250P,
ZVP2106A
D1 e D2 1N4148 1N5817, BAT42
Procedimentos Metodológicos
• Projetar o circuito elétrico do protótipo.
• Analisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo
• Desenvolver o firmware para o microcontrolador.
• Desenvolver a aplicação para comunicação com o protótipo.
• Testar e acompanhar o protótipo em execução.
• Analisar e avaliar os resultados obtidos nos testes.
Procedimentos MetodológicosDesenvolver o firmware para o microcontrolador
• Desenvolvido utilizando a plataforma Arduino, juntamentecom o gravador de firmware USBASP 2.0, paramicrocontroladores AVR ATMEL.
Procedimentos MetodológicosDesenvolver o firmware para o microcontrolador
• Diagrama de máquina de estado
Procedimentos MetodológicosDesenvolver o firmware para o microcontrolador
• Diagrama de comunicação
Procedimentos Metodológicos
• Projetar o circuito elétrico do protótipo.
• Analisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo
• Desenvolver o firmware para o microcontrolador.
• Desenvolver a aplicação para comunicação com o protótipo.
• Testar e acompanhar o protótipo em execução.
• Analisar e avaliar os resultados obtidos nos testes.
Procedimentos Metodológicos
• Projetar o circuito elétrico do protótipo.
• Analisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo
• Desenvolver o firmware para o microcontrolador.
• Desenvolver a aplicação para comunicação com o protótipo.
• Testar e acompanhar o protótipo em execução.
• Analisar e avaliar os resultados obtidos nos testes.
Procedimentos MetodológicosTestar e acompanhar o protótipo em execução
Resultados• O subsistema gerenciador de energia forneceu energia
suficiente para a alimentação do protótipo entre às 08:00 e às 16:00.
• O super capacitor demorou um pouco mais de 1 minuto para atingir sua carga completa.
• Com a interrupção do fornecimento de energia pelo painelsolar e o super capacitor totalmente carregado, o protótipoconsumiu toda a energia armazenada em um pouco mais de 1 minuto.
• O subsistema gerenciador de energia foi substituído por 2 pilhas AA de 1.5V cada. O protótipo demorou cerca de 19h para drenar a energia provida pelas pilhas.
Resultados• A precisão do sensor de umidade do solo foi satisfatória,
mas não a ideal.
• Foi utilizado 2Kg de terra proveniente de um terreno de cultivo na cidade de Quixadá
• A água precisa ser despejada próxima à sonda de detecçãopara melhores resultados.
• Após despejar, o sensor levou cerca de 20 minutos para estabilizar a leitura de umidade do solo. Esse tempo pode variar de acordo com o tipo de solo e a velocidade de infiltração da água nesse solo.
Resultados• O custo para a construção do protótipo proposto neste
trabalho atingiu cerca de R$70,00. Este custo refere-se apenas ao transmissor dos dados de umidade.
• Se o receptor dos dados for incluído nos custos, deverá seracrescentado R$21,00, totalizando assim R$91,00.
• É importante salientar que os custos mencionadoscontabilizam apenas os valores dos componentesadquiridos.
• Também foi possível validar a eficácia e cobertura dos casos do processo proposto neste trabalho. Todo o desenvolvimento seguiu os passos do processo.
Trabalhos Futuros• Com o trabalho de desenvolvedores de layouts de placas de
circuito e designers de produto, poderia ser criado um produto real e inovador a partir do protótipo desenvolvidoneste trabalho
• Criar uma interface de comunicação entre o receptor dos dados de umidade e uma aplicação requisitante por onde o usuário irá interagir.
• Aplicar vários exemplares do protótipo desenvolvido nestetrabalho para realizar o sensoriamento em rede de um terreno de cultivo bem mais amplo. Os firmwaresdesenvolvidos também estão preparados para funcionarcomo uma rede de sensores.
Referências• Água. ONU. Disponível em: <http://nacoesunidas.org/acao/agua>. Acesso
em 3 nov. 2015.
• Água no Brasil. Folha de São Paulo, São Paulo, 11 jan. 2015. Disponível em:<http://www1.folha.uol.com.br/infograficos/2015/01/118521-agua-no-brasil.shtml>. Acesso em 4 nov. 2015.
• BENEDÍ, J. A.; MUÑOZ-CARPENA, R. Soil-water-solute process characterization: an integrated approach. Florida: CRC Press, 2005. 787 p.
• COSTA, BRS; SANTOS, L. M.; BASSOI, L. H. Calibração do sensor de capacitância IRRIGAP® para a medida da umidade em solo do Semiárido. In: Embrapa Semiárido-Artigo em anais de congresso (ALICE). In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 42., 2013, Fortaleza. Anais... Fortaleza: SBEA, 2013., 2014.
Referências• DE SOUZA MENDES, Paulo Cesar. CARACTERIZAÇÃO DE UM SENSOR
PARA MEDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO COM TERMO-RESISTOR A TEMPERATURA CONSTANTE. 2006. Tese de Doutorado. Universidade Federal da Bahia.
• Dia Mundial da Água. FAO, Santiago do Chile, 22 mar. 2012. Disponível em: <https://www.fao.org.br/DMApcqcn15mladFAO.asp>. Acesso em 4 nov. 2015.
• GIACOMIN, J. C. Eletrônica Básica. In: Universidade Federal de Lavras –Departamento de Ciência da Computação, Lavras. Disponível em: <http://professores.dcc.ufla.br/~giacomin/Com145/AD_DA.pdf>. Acessoem 5 fev. 2016.
• HANGGORO, Aji et al. Green house monitoring and controlling using Android mobile application. In: QiR (Quality in Research), 2013 International Conference on. IEEE, 2013. p. 79-85.
Referências• How does a Supercapacitor work?. Battery University, Vancouver, 24 ago.
2015. Disponível em: < http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor>. Acesso em 5 fev. 2016.
• NASCIMENTO, C. Princípio de funcionamento da célula fotovoltaica. 2004.Monografia (Graduação)–Universidade Federal de Lavras. Curso de Pós-Graduação LATU SENSU em Fontes Alternativas de Energia. Minas Gerais, 2004.
• SILVA, C. R.; ANDRADE JÚNIOR, A. S.; SOUZA, C. F. Aspectos práticos na utilização da técnica de capacitância: desafios e aprendizagem. Aplicações de Técnicas eletromagnéticas para o monitoramento ambiental, v. 1, p. 25-45, 2008.
Referências• SILVA, D. et al. Controle automático da umidade do solo com energia solar
para pequenos produtores. In: Embrapa Pantanal-Artigo em anais de congresso (ALICE). In: SIMPÓSIO SOBRE RECURSOS NATURAIS E SOCIOECONÔMICOS DO PANTANAL, 6.; EVENTO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO PANTANAL, 1., 2013, Corumbá, MS. Desafios e soluções para o Pantanal: resumos. Corumbá: Embrapa Pantanal, 2013.
• SILVA, Daniel Olegário Matos. VALIDAÇÃO DE UM SENSOR DE DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DO SOLO PARA O MANEJO DA IRRIGAÇÃO. 2013. Dissertação de pós-graduação - Universidade Federal Vale do São Francisco, Juazeiro. 2013.
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