Sensor de umidade do solo com comunicação sem fio e energia solar

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
Agricultura
70%
Indústria
20%
Doméstico
10%
Consumo de água no mundo em 2012

Introdução
Sensores 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-play
controlado via comunicação sem fio, que
forneça informações sobre a umidade do solo,
alimentado por energia solar e com um baixo
custo 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.

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 domínio
da eletricidade que pode ser utilizada como medida de um
parâmetro físico, químico ou biológico. No caso do sensor
de umidade, informações de grandezas no domínio da
eletricidade representam a medida de umidade no solo.
(DE SOUZA MENDES, 2006, p.27).

Capacitivo Resistivo Outros

• Sensor capacitivo de umidade do solo
http://www.decagon.com.br/solos/sensores-umidade/ec-5/
Decagon EC-5

• 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

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 Metodológicos
Processo de desenvolvimento de sistemas embarcados

Desenvolver Subsistema

Integração de Subsistemas

• 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.

Identificação de subsistemas
• Subsistemas são módulos de hardware com finalidades
específicas que integram todo o sistema embarcado.
Fonte de energia
(Painel fotovoltaico + Super capacitor)
Sensor resistivo
de umidade do
solo
Microcontrolador
Dispositivo de
comunicação
wireless

Dispositivo de comunicação
wireless

Subsistemas > Dispositivo de comunicação wireless
• É o subsistema responsável por efetuar a comunicação
sem fio entre o microcontrolador e outro dispositivo que
se comunique com o seu semelhante presente no
protótipo.
Aplicação
requisitante
genérica

Subsistemas > Dispositivo de comunicação wireless > Bluetooth
• O dispositivo Bluetooth, que foi primeiramente
selecionado, permite conexão ponto-a-ponto, tendo sua
comunicação ilustrada abaixo.

Subsistemas > Dispositivo de comunicação wireless > NRF24L01
• O dispositivo NRF24L01, que está presente no protótipo
final, permite conexão de múltiplos dispositivos na
mesma rede. A ilustração da comunicação abaixo
demonstra o caso de teste abordado pelo trabalho.
Transmissor
Receptor

Subsistemas > Dispositivo de comunicação wireless > Comparativo
• Comparativo entre os dispositivos wireless utilizados.
Dispositivo
wireless
Consumo com tensão
de 3.3V
Custo médio de
aquisição
NRF24L01 12mA
Entre R$7,00 e
R$11,00
Bluetooth 50mA
Entre R$22,00 e
R$30,00

Subsistemas > Microcontrolador
• Microcontrolador é o subsistema responsável por
coordenar todos os módulos de hardware do protótipo,
exceto o subsistema gerenciador de energia. Para este
trabalho, foi utilizado o ATMega328P, que tem como sua
fabricante a ATMEL.
• Seu custo médio no mercado se encontra entre R$11,00 e
R$16,00.

Gerenciador de Energia
(Painel Fotovoltaico + Super Capacitor)

Subsistemas > Gerenciador de energia
• Subsistema responsável por prover e gerenciar a energia
utilizada pelos demais subsistemas.
Protótipo

• Diagrama esquemático

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

Projetar circuito elétrico final do protótipo

Analisar e selecionar os componentes e peças para a
construção do protótipo
• Relação entre componentes adaptados e componentes
ideais.
Identificador do
componente
Componente
Adaptado
Componente
Ideal
Q1 BC557
BS250P,
ZVP2106A
D1 e D2 1N4148 1N5817, BAT42

Desenvolver o firmware para o microcontrolador
• Desenvolvido utilizando a plataforma Arduino, juntamente
com o gravador de firmware USBASP 2.0, para
microcontroladores AVR ATMEL.

• Diagrama de máquina de estado

• Diagrama de comunicação

Testar 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 painel
solar e o super capacitor totalmente carregado, o protótipo
consumiu 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 detecção
para 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 ser
acrescentado R$21,00, totalizando assim R$91,00.
• É importante salientar que os custos mencionados
contabilizam apenas os valores dos componentes
adquiridos.
• 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 desenvolvido
neste 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 neste
trabalho para realizar o sensoriamento em rede de um
terreno de cultivo bem mais amplo. Os firmwares
desenvolvidos também estão preparados para funcionar
como 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>. Acesso
em 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_superc
apacitor>. 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.

Obrigado!
matheussouzadecarvalho@gmail.com

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