Coleta de dados e desempenho em um sistema aquapônico utilizando microcontrolador PIC, módulo wi-fi ESP8266 e protocolo MQTT [manuscrito] / Leonardo Guimarães Silva. Este trabalho apresenta uma proposta de sistema de controle e aquisição de dados para um sistema aquapônico, utilizando um microcontrolador PIC e módulo WiFi NodeMCU ESP8266.
INTRODUÇÃO
- Objetivo Geral
- Objetivos Específicos
- Justificativa
- Metodologia
- Organização do Trabalho
Espera-se que ao final deste trabalho seja proposta uma solução para controle e obtenção de dados do microambiente, que seja economicamente viável para um pequeno produtor ou mesmo para uma produção caseira. A partir da construção de um pequeno sistema aquapônico, o objetivo é implementar um sistema de ativação e aquisição de dados microambientais que dê maior autonomia ao sistema, reduza o tempo necessário para sua manutenção e proporcione ao produtor mais conforto e praticidade de uso.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
História da Aquaponia
Segundo Richards (2014), a prática da aquaponia é a combinação da hidroponia – cultivo de plantas sem uso do solo – com aquicultura ou piscicultura. Na China, onde já existiam sistemas de aquaponia – sem a atual modernização – era comum ver pisciculturas em arrozais inundados.
Parâmetros Envolvidos no Sistema Aquapônico
- pH
- Temperatura
- Compostos Nitrogenados
- Oxigênio Dissolvido
Portanto, há uma margem relativamente pequena na qual o pH deve ser encontrado, de 6,5 a 7, para atender às exigências de todos esses fatores, com alta biodisponibilidade de todos os nutrientes e um ambiente saudável para todos os seres vivos. Além do pH, a temperatura é um fator muito importante na hora de manter um ambiente saudável para os organismos ali presentes. Como a temperatura cai abaixo de 17º, o metabolismo das bactérias é reduzido de forma não linear, o que causa problemas no inverno, pois com a diminuição da produção de nitritos e nitratos, aumenta o nível de amônia no sistema, o que é prejudicial à pesca .
Além disso, seu sistema imunológico enfraquece devido ao estresse causado pela baixa temperatura, levando a uma maior probabilidade de que um ou todos os peixes adoeçam. A espécie escolhida para o desenvolvimento deste projeto foi a Tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus), pois é aquela que pode ser encontrada no entorno de Mariana-MG que apresenta maior taxa de crescimento, resistência a mudanças de temperatura, além de uma imunidade. sistema que é bem adequado ao ambiente, tempo e clima desta região. Os níveis ótimos são encontrados entre 5 e 8 mg/l, reduzindo drasticamente a nitrificação da matéria orgânica se esse nível cair abaixo de 2 mg/l, prejudicando a nutrição das plantas e tornando a água tóxica para os peixes devido ao aumento das concentrações de amônia total.
Infelizmente, devido ao alto custo de um sensor digital de oxigênio dissolvido (na época da realização do trabalho), ele não foi implementado.
Trabalho Semelhante
MATERIAIS E TÉCNICAS
Técnicas de Cultivo Empregadas
- Camas de Cultivo em Cascalho sob Fluxo e Refluxo
- Sistema NFT
- Cultivo de Plantas Aquáticas
Microcontrolador PIC®
Sensores
- pH
- Temperatura
Atuadores
- Válvula Solenoide
- Bomba
- Relé
- Filtro UV
Dispositivos e Comunicação
- Transdutor de Temperatura
- Comunicação WiFi com Módulo NodeMCU ESP8266 ESP-12E
- MQTT
DESENVOLVIMENTO
Maquete Eletrônica
Ao escolher o ambiente para construir o sistema, optou-se por modelar um modelo eletrônico da parte hidráulica do sistema, visto que esta possui um tamanho maior em relação às demais e que seu planejamento adequado torna-se necessário para melhor atender os requisitos de projeto. eficiente e otimizado em termos de espaço físico, já que o espaço disponível para sua implantação é pequeno. Utilizando o software SketchUp, foi modelada uma maquete eletrônica da parte hidráulica do sistema proposto, para se ter uma melhor ideia das possibilidades de implementação oferecidas pelo espaço disponível, conforme Figura 10. Levando em consideração o material que está disponível para compra no comércio local, foi pesquisada uma biblioteca com alguns objetos já modelados, como tubos de diversas bitolas, flanges, redutores, conexões, caixas d'água, peixes, etc.
Posteriormente, foi desenvolvido um modelo que utiliza dois tanques de água, um tanque de peixes e outro sump (tanque de água para onde toda a água retorna após a circulação e onde está localizada a bomba submersível), um filtro de vórtice, leitos de cultura de fluxo e refluxo e um sistema NFT.
Montagem da Estrutura Hidráulica e Iniciação do Sistema
Então, usando um kit de teste de amônia Labcon para monitorar o nível de amônia, a bomba circulou a água até ficar abaixo de 1,0 mg/L, adicionando mais amônia uma vez ao dia até que os níveis se estabilizassem (SOMERVILLE, et al., 2014). Quando o biofiltro estava funcionando satisfatoriamente, aproximadamente 25 tilápias, de vários tamanhos e idades, foram colocadas no tanque principal. Logo depois foram colocadas nos canteiros as primeiras mudas, nomeadamente couve, inhame, pimentão, morango, salsa, cebolinho, hortelã/hortelã, erva-cidreira arbustiva, tomilho e orégãos.
Calibração dos Sensores
- pH
- Temperatura
Assim, foi feita uma curva de calibração usando um kit com 3 soluções de pH igual a e 10,00, com uma precisão dez vezes maior do que o transdutor pode medir, tornando-se assim um bom parâmetro a seguir. Os resultados da análise desses dados, bem como a curva de calibração, podem ser vistos nas Figuras 13 e 14 a seguir. O transdutor de temperatura DS18B20 também é calibrado de fábrica, da mesma forma que o medidor de pH, mas o desenvolvimento de uma curva de calibração para fins de verificação, com base em valores teóricos do ponto de congelamento e evaporação da água, calculados para a altitude atual , parece ser pouco prático, pois há risco de danificar o aparelho em temperaturas muito altas.
Lógica de Aquisição e Processamento dos Dados
- Leitura do pH
- Temperatura
A precisão do conversor analógico-digital utilizado foi de apenas 8 bits, pois o uso do sensor de temperatura DS18B20 teve melhor estabilidade neste projeto com esta configuração, o que afetou a precisão das leituras do medidor de pH. De modo a obter valores de pH, pensou-se em minimizar a presença de ruído na leitura do sensor, para que não ocorram tomadas de decisão e/ou ações automáticas do sistema com base em valores que não correspondam à realidade do propriedades físicas da água. Dessa forma, foi desenvolvido um algoritmo de leitura de porta analógica que realiza uma série de cálculos e comparações para verificar a integridade dos dados.
No final, esse algoritmo requer uma certa quantidade de poder de computação, portanto, a leitura dos dados possui um atraso, o que não altera significativamente a finalidade do sistema de controle, pois trabalha com valores que mudam muito lentamente de acordo com a velocidade de leitura do o microcontrolador. . No entanto, o armazenamento desses 50 valores no vetor foi feito de forma que não fosse aceita nenhuma variação maior que 0,5 entre o valor e seu antecessor, com o objetivo de eliminar ruídos devido a interferências eletromagnéticas ou erros de leitura. Com esta metodologia, espera-se introduzir atrasos no preenchimento do vetor e na média de seus valores, o que aumentará significativamente o tempo de leitura.
O algoritmo utilizado para obter a temperatura do sistema é significativamente mais simples que o pH, pois a leitura e processamento da temperatura é feito quase inteiramente no próprio transdutor, basta configurar o protocolo de comunicação entre o IC do transdutor e o microcontrolador e atribuir os parâmetros de precisão e tempo de resposta.
Acionamento dos Atuadores
A ativação da bomba, filtro de luz UV e válvulas é feita pressionando um botão conectado a uma porta digital do PIC. Esses botões possuem um filtro de software para tratamento do debounce, que é o ruído elétrico gerado pelo contato mecânico do botão, sem utilizar a função de espera "delay_ms()", proporcionando uma programação mais limpa e sem atrasos decorrentes do uso excessivo dessas funções. .
Saída de Dados
- LCD
- Transmissão via RF433MHz
- MQTT
Foi utilizada uma tela LCD LM016L, comumente encontrada no mercado de componentes eletrônicos, ilustrada na figura 15. Uma biblioteca disponível em MACIEL (2012), implementa o protocolo de comunicação digital necessário para a transmissão das informações a serem exibidas Para este projeto optamos por exibir o valor da temperatura da água, pH e hora local.
Para resolver esse problema, foi desenvolvido um filtro através do software, que coleta 10 fluxos em sequência e então verifica qual desses valores recebeu o maior número de repetições, escolhendo este como o real (ou desejável) mais provável. O site www.cloudmqtt.com, que possui servidores Mosquitto, foi utilizado como MQTT Broker para este projeto. Para este projeto, utilizamos o gratuito chamado CUTE CAT, com capacidade para 10 conexões e largura de banda de 10 kbit/s.
Ao criar a instância, são disponibilizadas as informações necessárias para configurar o dispositivo (cliente) através do qual se pretende ligar ao broker, nomeadamente Servidor, Utilizador, Password, Porta e Porta SSL.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Funcionamento do Sistema
A saída de dados via rede ethernet fornecida pelo NodeMCU se mostrou bastante eficiente, rápida e segura, considerando que foram utilizados apenas 2 sensores, a responsividade do dispositivo, assim como do broker MQTT, se mostrou bastante rápida e mais do que apenas satisfatório. O sensor de pH apresentou um tempo de resposta muito alto, ao contrário do esperado. Possui um longo regime transitório, que em alguns casos consegue se estabilizar em um tempo superior a duas horas.
O sensor de temperatura, ao contrário do anterior, tem um tempo de resposta muito rápido e preciso e funciona dentro do esperado. Os botões, assim como o acionamento dos relés e válvulas, causavam atrasos nas simulações via software, que exigiam muito poder computacional da CPU do PC utilizado, mas funcionavam normalmente em um ambiente fisicamente simulado.
Problemas
- pHmetro
- Módulo RF 433MHz
CONCLUSÕES
TRABALHOS FUTUROS
- Painel Solar
- Sensor de Condutividade
- Sensor/Detector de Nível
- Backup de Energia Elétrica
- Bomba de Ar
- Alimentador Automático
- Sistema de Aquecimento
- Sistema Supervisório
Um dispositivo simples que pode ser implementado no sistema de controle é um sensor e/ou detector do nível de água no tanque. Uma implementação futura que pode funcionar em conjunto com painéis fotovoltaicos é construir eletricidade de backup usando baterias. Nos casos em que a instabilidade da fonte de energia elétrica é uma realidade e não há recursos para implementar um sistema de backup de energia, uma solução paliativa seria a introdução de uma pequena bateria suficiente para alimentar uma bomba de ar que forneceria oxigenação à água do aquário , o que aumenta a expectativa de vida dos peixes em casos extremos, falta de energia.
Para facilitar ainda mais o manuseio, manutenção e monitoramento do sistema, é uma boa opção implementar um alimentador automático de peixes que pode ser configurado por hora e data diretamente no microcontrolador PIC e também via internet, com o objetivo de disponibilizar. Para atender situações de queda brusca da temperatura da água nos reservatórios, pode-se desenvolver um sistema de aquecimento de água com gás GLP ou aquecedor solar, pois o uso de energia elétrica devido à capacidade volumétrica do sistema aumentaria muito o custo. Operação. Para uma melhor interação entre o usuário e o sistema de aquisição e controle de dados, pode ser implementado um sistema de monitoramento com uma interface mais amigável que mostra o estado atual do sistema, permite ação direta e manual, registra um histórico dos dados coletados e gatilhos manuais com o tempo registrado desses eventos.
Integrar piscicultura com hortaliças economiza 90% de água e elimina produtos químicos [Internet] 2015, Disponível em: https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/- /noticia/2767622/integrar-criacao-de-fish - com-vegetais-economiza-90%-água-e elimina produtos químicos.
