Sistema autônomo de monitoramento do solo

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ARTIGO ORIGINAL

BONE, Eduardo Engelhardt [1], DUMPIERRE, Glaubert Francis [2], POSIDONIO, Romário Goulart [3], SANTOS, Samuel Schuindt dos [4], SILVA, Vinício Gonçalves da [5], CARNEIRO, Paulo Henrique Gomes [6]

BONE, Eduardo Engelhardt. Et al. Sistema autônomo de monitoramento do solo. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 08, Vol. 07, pp. 128-140. Agosto de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-eletrica/sistema-autonomo

RESUMO

O Brasil é uma grande potência, com ações que unem sustentabilidade e tecnologia relacionadas a agricultura área esta que tende a crescer conforme o crescimento populacional do mundo, e a irrigação é uma das tecnologias que deve crescer junto com a agricultura. O projeto tem como finalidade resolver um dos maiores problemas da agricultura em relação a desperdício de água, pois a agricultura é responsável pela maior quantidade de água utilizada nos dias atuais, o que ocasiona em uma certa preocupação com as gerações futuras. A finalidade do projeto é solucionar os problemas com a irrigação, de forma que seja autônoma e tecnológica, trazendo economia e praticidade para o produtor, isso com componentes de baixo custo e com alimentação de forma sustentável como a energia solar. O sistema é controlado pelo Arduíno Uno, e através do sensor de umidade do solo identifica quando a necessidade de irrigar ou não, acionando assim um relê por um transmissor, que está se comunicando com um receptor em uma caixa separada, com informações no display de: temperatura, umidade e pressão atmosférica. O sistema é alimentado por 6 placas solares que se move conforme a orientação do sol através de um servo motor, que carregam as baterias. A distância entre os dois módulos foi satisfatória podendo acompanhar a lavoura de longe sem problemas com interferências ou resultados instáveis, já a altitude medida pelo módulo foi de 190,6 a 192,9 metros, junto com a gravidade em torno de 9,88. É viável economicamente e sustentavelmente obter um sistema de irrigação autônomo, além de não ter a preocupação de irrigação, também economiza água, pois, o seu custo é baixo e as informações que lhe fornece são de extrema importância para uma lavoura.

Palavras-chave: Água, economia, lavoura.

INTRODUÇÃO

A agricultura do Brasil é uma das maiores em todo o mundo, ainda assim as tecnologias existentes hoje para esse mercado são pequenas e suas dificuldades imensas, irrigação, por exemplo onde o sistema é feito manualmente até os dias de hoje, porém o que torna a irrigação mais complexa são os fatores como: condições climáticas, condição do solo, condições culturais e socioeconômica.

Segundo Mera (2010, p. 2) “irrigação é uma técnica utilizada na agricultura que tem como objetivo o fornecimento controlado de água para as plantas em quantidade suficiente e no momento certo, assegurando a produtividade e a sobrevivência da plantação. ”

O desenvolvimento da irrigação é uma tecnologia que vem surgindo a anos, e grande parte das civilizações surgiram em locais onde só era possível ter uma plantação com a irrigação, pois a falta de água não permite o desenvolvimento das plantações (MADALOSSO, 2014).

Logo a irrigação era de suma importância para o cultivo em áreas com escassez de água, onde a irrigação permitiu um melhor desenvolvimento das plantações. Atualmente existem quatro métodos de irrigação principais que são utilizados pelos agricultores, a superfície, aspersão, localizada e sub irrigação.

Toda irrigação possui uma forma de distribuir a água, e com o passar dos anos a escassez de água vem se tornando cada vez maior devido ao desperdício na agricultura, pois é na agricultura que metade da água utilizada no mundo é usada para fins de produção de alimentos. (ANTONELLI, 2012).

Em todo o planeta, aproximadamente 14 mil quilômetros cúbicos de água por ano são necessários para atender as necessidades dos seres humanos, e com o crescimento populacional a demanda de água no decorrer dos anos é cada vez maior, pois em 1998 a população alcançou a marca de 5 bilhões, é de fato que daqui mais algumas décadas haverá falta de água para a população que vem crescendo exponencialmente a cada ano. (PAZ; TEODORO; MENDONÇA, 2000).

Em nosso planeta terra, a água vem diminuindo com o passar dos anos devido a vários fatores populacionais, como a água é um recurso indispensável, é necessário estudar a relação de água e homem, pois as gerações futuras dependem de nós hoje para a sua existência. (LIMA; FERREIRA; CHRISTOFIDIS, 1999).

Quando acontece o processo de irrigação de uma plantação sem uma forma eletrônica de controle, muita água é desperdiçada, apenas uma certa quantia é absorvida pela planta, pois as vezes acontece de ter perdas por evaporação e escoamento da mesma, isso dependendo da forma como está o solo e o quanto a planta adquire (SILVA; SILVA, 2005)

A eficiência da irrigação é uma abordagem que trata de um manejo que aplique água apenas no momento certo e na quantidade necessária para a cultura. Mundialmente, apenas 37% da água utilizada na irrigação é aproveitada pela cultura, considerando a quantidade de água retirada da fonte pela realmente usada pela irrigação (COELHO; FILHO; OLIVEIRA, 2005).

Juntamente com toda a tecnologia crescente, teve um aumento severo no consumo de energia, entre elas: elétrica e combustível, o que gerou uma certa preocupação com a poluição do meio ambiente. E com isso, provocou um avanço maior em outros setores, para produção de energia de forma renovável, um exemplo é o sol, que está presente em todo o planeta, e é uma fonte de energia inesgotável, e com isso essa tecnologia também vem crescendo e diminuindo os custos para a utilização da mesma. (DIENSTMANN, 2009).

Para ter mais controle sobre os gastos, a tecnologia no campo tem crescido bastante com o passar dos anos, as tecnologias desenvolvidas entre técnicos de informática, com a criação de softwares, aderem um melhor planejamento e controle de todas as informações em qualquer setor do agronegócio. Com essa evolução, ocorrem menos desperdícios pois essa tecnologia armazena informações passadas e futuras, evitando o uso exagerado de determinados produtos em questão. (ALMIR MEINERZ, 2017).

No mercado bilionário do agronegócio, que representa um grande potencial de lucro para as empresas com grande potencial de crescimento, as mesmas estão aderindo a recursos mais tecnológicos para as suas produções, pois além de aumentar o faturamento, possui menos erros por parte do ser humano, o que torna o negócio mais viável economicamente, além de aumentar a margem de lucro para os empresários rurais. (ROSA, 2017).

O sistema em desenvolvimento (sistema autônomo), visa solucionar alguns problemas encontrado na agricultura brasileira. Segundo a agência Andrade (2011), um sistema ideal de irrigação que satisfaça todas as condições, como cultura, solo e topografia, ainda não está disponível no mercado. Logo a utilização do sistema autônomo concede comodidade para o produtor, onde pode ser monitorado em tempo real os parâmetros do solo e da irrigação, podendo gerar assim uma economia de grande quantidade de água. Este trabalho é destinado a pequenos produtores, pois o componente usado tem um baixo valor de aquisição e quando instalado na plantação irá alavancar a produção e consequentemente gerar mais lucro, tudo isso utilizando energia fotovoltaica.

METODOLOGIA

O projeto tem características semelhantes a um controlador a longa distância, e pode ser implementado em qualquer área de produção, seja ela agrícola, ou até mesmo hortaliça, tem as funções precisas e de extrema importância ao produtor. A figura 1 demonstra que de um lado tem-se o transmissor de dados, que envia as informações do proveniente dos sensores que medem as características físicas relacionadas ao: solo, clima, temperatura e umidade relativa. Esse tem como principal função a de processar as informações recebidas e demonstrá-las no display.

Figura 1: Esquema do funcionamento simplificado do projeto

Utilizou-se a plataforma Arduíno para comandar o projeto, tornando mais fácil a programação, o transmissor de dados descrito na figura 2, contem em sua estrutura os hardwares utilizados para o funcionamento do projeto, são eles: sensor de umidade do solo barômetro, sensor de umidade, carregador de baterias, dois sensores de luminosidade, um servo motor, duas baterias de Lithium-Íon (Ni-MH), o transmissor, e um Arduíno nano.

Tem-se na estrutura do transmissor de dados 6 painéis solares, um tubo, e uma antena de transmitir dados ao receptor. O transmissor de dados é demonstrado na figura 2, onde é formado por um tubo de 25 mm com aproximadamente 70cm de comprimento, e logo acima possui uma caixa de simetria quadrática, 15x15cm, em sua superfície superior possui uma placa com dimensões 30x30cm, onde estão dispostas as 6 placas solares. O sensor de umidade, que fica localizado no inferior do tubo aterrado ao solo que será monitorado, levando as informações das propriedades físicas do solo ao Arduíno nano, que faz a transmissão para o receptor.

Figura 2: Estrutura do transmissor de dados

O sensor BMP180 (pressão barométrica) tem a função de medir a pressão do ambiente, coletando informações precisas sobre a chuva. Seu consumo de corrente e de apenas 3 µA.

O DHT-11 tem funções semelhantes ao BMP180, ele é um sensor de temperatura e umidade que permite fazer leituras de temperaturas entre 0 a 50 graus célsius, e umidade entre 20 a 90%, a importância de usar ambos no projeto é trazer uma precisão maior quanto a: temperatura, se consumo está próximo 250 mA, algo relativamente baixo.

O transmissor de dados utilizado é o FS1000A de 433 MHz, este transmissor pode chegar a distâncias de 200 metros, para o projeto não será necessário mais que 100 metros, o transmissor tem por função transmitir os dados do transmissor e para o receptor.

O servo motor contém força de transmissão de 900g, que torna o projeto mais eficiente, pois ele é responsável por orientar as placas solares onde possui mais luminosidade, sua alimentação vem direto as placas solares, ou seja, ele não consome energia das baterias.

Os sensores de luminosidade estão localizados nas extremidades da placa maior, captando a melhor luminosidade possível, os dois estão ligados no Arduíno com um resistor de 10K, mandando informações e comandando o servo como mostra a figura 3.

O Arduíno Nano V3 é um dos modelos mais econômicos de seu seguimento, seu consumo é 16 mA, e sua memória Flash é de 32 KB, tornando assim, o projeto mais compacto e barato.

Figura 3: Conexões do circuito transmissor de dados

No transmissor tem-se um armazenamento de energia, duas baterias de 1,2 volts ligadas em série, totalizando 2,4 volts, uma tensão que é insuficiente para alimentar o Arduíno, portanto utilizaremos um transformador de tensão por pulso. Esse sistema tende a ser mais eficiente, porque as placas solares geram no máximo 5 volts, portanto sua tensão pode variar, e o consumo do Arduíno é baixo, ou seja com 2,4 volts temos que ter uma placa solar duas vezes maior que a tensão das baterias, aproximadamente 4,8 volts.

O transformador de tensão por pulso pode transformar qualquer tensão de 0,9 volts a 4,9 volts em 5 volts contínuos, rebaixando a corrente para aproximadamente 200 mA, que varia de acordo com a entrada do transformador, porém o consumo do Arduíno nano é 16 mA, tornando-o suficiente. A saída do transformador é uma porta USB, o que torna mais funcional a alimentação do Arduíno.

A figura 4 representa o carregador de baterias Ni-MH, as baterias são carregadas de maneira eficaz com o módulo carregador de bateria TP4056, que tem a função de reduzir a tensão das placas solares de 5 volts para 2,8 volts, essencial para as baterias, com uma corrente nominal de 450 mAh.

 Figura 4: Carregador de baterias

Segundo Open Green (2018), a equação 1 é utilizada para descrever o carregamento das baterias:

T = C/I                                                                                            (1)

onde:

T é o tempo de carga (em horas)

C é a corrente da bateria em mili Ampères

I é a corrente fornecida pelo carregador.

Utilizando a equação (1) obtêm-se o tempo necessário para a carga da bateria:

T = 3000mAh/450mAh                                                                     (2)

T = 6,66 horas

Entretanto para carregar a bateria sua corrente nominal requer 7 horas de carga. O painel solar recebe luz solar durante as 7 horas do dia, das 9h às 16h. Assim, o sistema fica sempre alimentado durante o dia e noite.

As informações coletadas pelo transmissor serão transmitidas para o receptor que estará a um raio de aproximadamente 200 metros do transmissor, podendo controlar a lavoura a distância e saber os demais fins e situações do ambiente.

Os dados meteorológicos mudam frequentemente, porem mudanças pequenas não afetam a cultura analisada. Portanto, pode-se fazer a leitura em intervalos de 5 minutos. É uma maneira de se economizar uma grande quantia de energia. O Arduíno tem vários modos de suspensão que podem ser usados ​​para reduzir o consumo de energia.

Open Green (2018) mostra que a duração da bateria pode ser calculada determinando a corrente média do circuito. De acordo com a equação 3 pode se calcular a corrente media do projeto.

I = (Ton * Ion + Toff * Ioff) / (Ton + Tsleep)                       (3)                                          

I= (0,25*16mA+300*200uA) / (0,25+300)

Ton (o arduino está ativo) = 250 ms = 0,25

Ion = 16 mA

Toff = 5min = 300s

Ioff = 200 uA (aproximadamente)

I = 0,213 mA

Para calcular a potência no Arduíno, utilizou-se a equação demonstrada no livro do Creder, (2016), logo temos:

Pa = VxI                                                                                   (4)

Tensão do arduino = 5 V

Pa = 5×0,213 mA

Pa = 1,065 mWh

Para determinar a potência do circuito utiliza-se novamente a equação (5):

Capacidade da bateria Li-Ion = 3000 mAh

Tensão da bateria = 3V

Pc = 3x3000mAh = 9000 mWh

Enfim, o cálculo da vida útil da bateria demonstrado por Creder (2016) é determinado como:

Vi=Pc/Pa                                                                                  (5)

Vi = 9000 mWh / 1,065 mWh = 8450,704225 horas = 11,6 meses

A partir do cálculo acima, usando uma bateria de 3000 mAh Li-Ion totalmente carregada, pode-se executar o Arduíno por aproximadamente 12 meses. Na prática, devido à auto descarga da bateria, este valor sofrerá alterações. Como o sistema está equipado com carregamento solar, pode-se funcionar por alguns anos sem qualquer interrupção.

A figura 5 demonstra o receptor de dados, que é o celebro do projeto, nele contém informações do clima, temperatura, umidade do solo, umidade relativa do ar, pressão barométrica e altura em relação ao nível do mar. Ao detectar o solo seco o próprio sistema aciona um relê onde é ligado uma bomba de água, assim liberando a água para a plantação. O receptor de dados fica conectado em uma fonte de alimentação 12 volts, não possui alimentação por baterias.

Figura 5: Receptor de dados

A figura 6 contém o receptor de dados está equipado com um Arduíno mega 2560, que é responsável por processar as informações recebidas do transmissor FS1000 e demonstra-las no display.

Figura 6: Esquema do circuito receptor de dados

A figura 7 demonstra a bomba, que também pode ser controlada a distância, recebendo o mesmo sinal do receptor o que traz mais comodidade ao usuário, pelo receptor é possível ligar e desligar o sistema, e acompanhar pelo display as informações do plantio.

Figura 7: Esquema de ligação da bomba

No modulo relê de 1 canal está ligado uma bomba de água, que é acionada pelo Arduíno Uno, que processa as informações recebidas do transmissor, através da rádio frequência.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O receptor de dados, processa as informações recebidas pelo transmissor, e capta a temperatura do ambiente, que ficou entre 35º a 38º graus, processa as informações do solo, que detecta através do sensor se está úmido ou seco. Ao carregar as baterias e ligar o sistema na terra seca o sensor acusou no display através do transmissor que era necessário irrigar o terreno, que automaticamente manda sinal para a bomba, acionando um modulo relê onde está ligado uma bomba de água.

Obteve-se o resultado esperado, levando em consideração a distância dos transmissores. O projeto cumpriu todos os requisitos de transferência de dados entre as interfaces usadas, a duração da bateria durante o período noturno e o carregamento cedido pelas placas solares foi excelente, não houve interrupções quanto ao sinal dos transmissores, pois cada um trabalha com uma frequência configurada através de um osciloscópio.

O sensor de altitude demonstrou uma elevação ao nível do mar que ficou em torno de 190,6 a 192,9 metros, junto com a gravidade em torno de 9,88. Já a umidade relativa do ar ficou na casa dos 70 a 72 g/Kg, e a pressão atmosférica na casa dos 0,96 a 0,99 Pa. Também captou a altitude no protótipo, que fixou na casa dos 153,15 metros, e também a altitude real 167,82 metros.

É viável hoje em dia ter a tecnologia a favor de todos, afim de melhorar fins em geral, entretanto nesse projeto o sinal de transmissão de dados ficou de curto alcance, o que pode ser melhorado para o grande produtor que possui lavouras maiores, utilizando-se transmissores de dados com maior capacidade de transmissão. Porem para fins didáticos optou-se por utilizar transmissores e receptores de curto alcance, tendo em vista que é possível aumentar a distância com transmissores de radiofrequência.

Caso haja a necessidade, é possível acrescer baterias ao transmissor, trazendo mais mobilidade ao produtor, porem optou-se por não utilizar, pois está atendendo bem as especificações da duração das baterias.

CONCLUSÃO

O projeto mostrou-se de alta relevância para os produtores rurais, pois seu custo é relativamente baixo, não possui erros, simples de ser manuseado, apresenta redução no consumo de água e energia, monitoramento do plantio e comodidade ao produtor. O sistema é visivelmente ecológico, pois conseguimos reduzir o consumo dos recursos muito exigido atualmente, mostrando que a tecnologia pode trazer conforto sem prejudicar a natureza.

Obteve-se uma excelente distância entre os transmissores e receptores, algo em torno de 100 metros e não houve interrupções mesmo sendo um sistema de Modulação em amplitude (AM do inglês amplitude modulation) de transmissão. A captação de energia solar é uma energia limpa e renovável, de muita utilidade no projeto, alimentando todo o sistema durante o dia e a noite com os seus 3000mAh das baterias.

REFERÊNCIAS

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DIENSTMANN, G. Energia Solar. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre – RS, 2009. Disponível em: <https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/24308/000736300.pdf> Acesso em: 29/08/2018.

LIMA, J. E. F. W.; FERREIRA, R. S. A.; CHRISTOFIDIS, D. O Uso Da Irrigação No Brasil, Brasília – DF, 1999. Disponível em: <https://www.agencia.cnptia.embrapa.br/Repositorio/irrigacao_000fl7vsa7f02wyiv80ispcrr5frxoq4.pdf> Acesso: 13/08/2018

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[1] Graduação em andamento em Engenharia Elétrica.

[2] Graduado em Desenvolvimento em Sistemas de Informação formado pela Faculdade Integradas de Cacoal; Especialista em Didática do Ensino Superior pela Faculdade de Ciências Biomédicas de Cacoal; Acadêmico de Engenharia Elétrica.

[3] Graduando em Engenharia Elétrica.

[4] Graduação em andamento em Engenharia Elétrica.

[5] Graduação em andamento em Engenharia Elétrica.

[6] Orientador. Mestrado profissional em andamento em Ensino de Física – Profis. Especialização em Metodologia e didática do ensino superior. Graduação em Engenharia Elétrica.

Enviado: Junho, 2020.

Aprovado: Agosto, 2020.

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