FACULDADE DO CENTRO LESTE
EVANDRO BOLDRINI BREDA
GUSTAVO BARCELOS SUIM
SISTEMA AUTOMATIZADO DE IRRIGAÇÃO
SERRA-ES 2011
EVANDRO BOLDRINI BREDA
GUSTAVO BARCELOS SUIM
SISTEMA AUTOMATIZADO DE IRRIGAÇÃO
Trabalho de conclusão de curso dos alunos Evandro Boldrini Breda e Gustavo Barcelos Suim apresentado ao curso de Engenharia de Automação e Controle, da Faculdade do Centro Leste, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro de Automação e Controle.
Orientador: Prof. Felipe Nascimento Martins, Dr.
Coorientador: Prof. Roberto Dalmaso, Esp.
SERRA-ES 2011
RESUMO
Neste trabalho propõe-se desenvolver um sistema automático de irrigação para áreas de pequeno e médio porte, visando diminuir o consumo de água e a redução de custos. O sistema conta com sensores de matriz granular, controle automático utilizando microcontrolador, atuação de válvulas solenóides e interface com o usuário através de um display de LCD. Quando em modo automático, o sistema realiza a leitura do potencial da água no solo através dos sensores, compara com o set-point indicado previamente pelo usuário e indica se é necessário, ou não, iniciar a irrigação do setor no qual foi realizada a leitura. O sistema foi instalado na Faculdade do Centro Leste Campus Manguinhos aproveitando-se de componentes já instalados, como bomba, tubulação e elementos de acionamento. Os testes foram realizados em bancada e no campo, comprovando o funcionamento do sistema.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Comparação da produtividade de áreas irrigadas e não irrigadas para diversas
culturas. ... 15
Figura 1.2: Variação da tensão de água no solo para o tratamento que iniciava a irrigação em 30 kPa (T2). Fonte: Macedo et al., 2010. ... 17
Figura 1.3 Ilustração do Sistema de Irrigação Localizada em Malha Fechada. ... 21
Figura 2.1: Esquema representativo da capacidade de armazenamento de água nos poros do solo. ... 23
Figura 2.2: Curva de retenção de água no solo, em papel semilogaritimico do Latosolo Vermelho Amarelo – Embrapa Semiárido – Bebedouro, Petrolina, PE. Fonte: Braga & Calgaro, 2010. ... 23
Figura 2.3: Vista de dois tensiômetros com manômetro metálico, para instalação em diferentes profundidades, especificando os diferentes componentes. Fonte: Mantovani (2008, p.49). ... 27
Figura 2.4: Bloco de Bouyoucos. (MUÑOZ-CARPENA, 2004). ... 28
Figura 2.5: Fixação do tampão para evitar que a água da chuva e da irrigação entre no tubo. 30 Figura 2.6:Imagem do PIC 18F2550. ... 33
Figura 2.7:Imagem do PIC 16F688 ... 34
Figura 2.8:Imagem do CI SN75176 ... 35
Figura 2.9: Esquema simplificado do processo contínuo. ... 36
Figura 2.10:Sistemas de malha aberta. ... 38
Figura 2.11: Malha fechada. ... 39
Figura 2.12: Intervalo entre as ações de liga e desliga. ... 41
Figura 2.13: Malha típica de instrumentos: transmissor, controlador e válvula de controle. ... 42
Figura 2.14: Transmissor eletrônico com indicação e sensor de pressão diferencial. ... 43
Figura 3.1: Visão geral do sistema. ... 44
Figura 3.2: Campo de teste da Faculdade do Centro Leste. ... 45
Figura 3.3: Foto da placa da bomba. ... 45
Figura 3.4: Válvula solenóide instalada na Faculdade do Centro Leste. ... 46
Figura 3.5: Controle programável RAIN BIRD. ... 46
Figura 3.6: Módulo mestre em fase de desenvolvimento e testes. ... 47
Figura 3.8 Fluxograma de funcionamento do programa ... 49
Figura 3.9: Foto do módulo Mestre finalizado ... 49
Figura 3.10 Esquema da fonte de alimentação. ... 51
Figura 3.11: Valores adotados na construção da fonte do mestre ... 51
Figura 3.12: Canal de comunicação RS485... 52
Figura 3.13: Diagrama de controle do CD4094 ... 53
Figura 3.14: Driver de controle dos setores. ... 54
Figura 3.15: Driver de acionamento do setor. ... 55
Figura 3.16: Soquete para IHM. ... 55
Figura 3.17: Foto da IHM em funcionamento ... 56
Figura 3.18: Soquete para os botões. ... 56
Figura 3.19: Esquemático do driver de leitura do sensor WATERMARK ... 59
Figura 3.20 Relação Tensão da Água x Resistência sensor WATERMARK. ... 59
Figura 3.21 Variação da leitura do sensor WATERMARK em relação a variação de temperatura: ... 61
Figura 3.22: Esquemático do sensor de temperatura. ... 62
Figura 3.23: Imagem do sensor NTC de temperatura. ... 62
Figura 3.24: Esquemático da fonte de alimentação. ... 63
Figura 3.25: Histerese do controle de irrigação. ... 64
Figura 4.1 Sistema montado ... 65
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Vantagens e desvantagens do uso da irrigação. ... 15
Tabela 2: Valores críticos máximos de tensão de água do solo para diversas culturas em região com períodos de altas (valores à esquerda) e baixas evapotranspiração (valores à direita). ... 24
Tabela 3: Leituras da tensão da água no solo e sua interpretação. ... 25
Tabela 4: Especificações do PIC18F2550. ... 33
Tabela 5: Especificações do PIC16F688. ... 34
Tabela 6: Relação entre tensão lida x resistência WATERMARK. ... 58
Tabela 7: Relação entre Va x Leitura analógica ... 60
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Bit – Binary digit (dígito binário) CC – Corrente contínua
CCAS – Curva Característica da Água no Solo CI – Circuito Integrado
EEPROM - Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory (Memória Programável Apagável Eletricamente Somente Leitura)
IHM – Interface Homem Máquina
LCD – Liquid Crystal Display (Display de Cristal Líquido) LED - Ligth Emition Diode (Diodo Emissor de Luz)
NTC – Negative Temperature Coeficient (Resistor de coeficiente de temperatura negativo) PIC - Programmable Interrupt Controller (Controlador Programável de Interrupção) PMP – Ponto de Murcha Permanente
PVC - Polyvinyl Chloride (Policloreto de Polivinila) SMP – Potencial Matricial do Solo
SMPadj – Potencial Matricial do Solo Ajustado
Ts – Temperatura do Solo
ULA – Unidade Lógica e Aritmética USB – Universal Serial Bus
USP – Universidade de São Paulo VAC – Volt de corrente alternada
VCC – Volt de corrente contínua
SUMÁRIO AGRADECIMENTO ... 10 1 INTRODUÇÃO ... 14 1.1 MOTIVAÇÃO ... 18 1.2 OBJETIVO ... 19 1.2.1 Objetivos específicos ... 19 1.3 METODOLOGIA ... 20 1.4 SISTEMA PROPOSTO ... 20 1.5 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO ... 21 2 MARCO TEÓRICO ... 22
2.1 DISPONIBILIDADE DE ÁGUA NO SOLO ... 22
2.2 DEFINIÇÃO DE QUANDO IRRIGAR ... 24
2.3 MEDIÇÃO DA TENSÃO DA ÁGUA NO SOLO ... 26
2.3.1 Método Tensiométrico ... 26
2.3.2 Métodos Eletrométricos ... 27
2.3.3 Método de Bouyoucos ... 27
2.3.4 Método de Colman ... 28
2.3.5 Sensor de Matriz Granular ... 28
2.4 MICROCONTROLADORES ... 31 2.4.1 Microcontrolador PIC18F2550 ... 32 2.4.2 Microcontrolador PIC16F688 ... 34 2.5 COMUNICAÇÃO ... 35 2.6 PROCESSOS ... 35 2.6.1 Processos Contínuos ... 36 2.6.2 Processos Descontínuos ... 36 2.6.3 Variável Controlada ... 37 2.6.4 Variável Manipulada ... 37 2.7 CONTROLE DE PROCESSOS ... 37 2.7.1 Malha de Controle ... 38
2.7.2 Sistemas de Malha aberta ... 38
2.7.3 Sistemas de Malha Fechada ... 39
2.7.4 Controle Manual ... 40
2.7.5 Controle de Duas Posições (liga/desliga) ... 40
2.7.6 Instrumentos de uma Malha de Controle ... 41
2.7.6.1 Elemento Sensor ... 42
2.7.6.2 Transmissor ... 42
2.7.6.3 Controlador ... 43
2.7.6.4 Elemento final de controle ... 43
3 DESENVOLVIMENTO ... 44 3.1 MÓDULOS ESCRAVOS ... 47 3.2 MÓDULO MESTRE ... 48 3.3 ESQUEMÁTICOS ... 50 3.3.1 Mestre ... 50 3.3.1 Escravo ... 56 3.4 MODOS DE OPERAÇÃO ... 63 4 TESTES E RESULTADOS... 65 5 CONCLUSÃO ... 68 ANEXO A ... 75 ANEXO B ... 76 ANEXO C ... 77
AGRADECIMENTO
Agradecemos primeiramente a Deus pela sabedoria e guia nos momentos de dificuldades. Agradecemos aos nossos pais, por nos proporcionarem tamanha conquista. Agradecemos aos amigos, colegas, funcionários que de alguma forma contribuiram para a conclusão deste trabalho. Agradecemos a Faculdade UCL pelo apoio concedido para utilização de teus recursos.
1 INTRODUÇÃO
A cafeicultura é uma atividade agrícola muito importante para a economia brasileira. Tendo um valor histórico e principalmente econômico, o Brasil destaca-se como o principal produtor mundial. O Estado do Espírito Santo tem, ao longo dos anos, consolidado a posição de segundo produtor brasileiro de café, sendo o primeiro de café conilon, com mais de 80% da produção nacional (Fornazier et al., 2003).
A agricultura irrigada deixou de ser uma alternativa para quem lutava contra a seca e passou a ser um importante instrumento para a otimização da produção de alimentos, gerando sustentabilidade, emprego, renda estável e maior produtividade, garantindo a permanência do homem no campo, já que a maior parte da população mundial depende dos alimentos que foram produzidos em áreas irrigadas (Mantovani et al., 2007).
Segundo Mantovani et al. (2007), a irrigação, não tem somente o objetivo de não sofrer com os períodos de seca, mas pode ter descritas outras vantagens, como: (i) maior produtividade das culturas: numa mesma área antes sem irrigação, pode-se produzir muito mais; (ii) produto com qualidade superior, já que o vegetal terá um desenvolvimento constante e em boas condições; (iii) através da irrigação pode-se colher fora da época habitual, aproveitando melhores condições de mercado; (iv) melhor gerenciamento e aplicação uniforme de fertilizantes e controle de pragas e (v) investimento em culturas mais caras, com menos risco de perder o investimento.
Mantovani et al. (2007, p.14) citam que “Estimativas mundiais de produção indicam que os 260 milhões de hectares irrigados, que correspondem a 17% da área cultivada, produzem cerca de 40% da safra”. A Figura 1.1 ilustra um comparativo com valores médios de produção entre áreas irrigadas e não irrigadas para algumas culturas.
Figura 1.1 Comparação da produtividade de áreas irrigadas e não irrigadas para diversas culturas. Fonte: Mantovani et al. apud (Testezlaf et al., 2002).
Com a mudança na mentalidade dos brasileiros sobre irrigação, que passou a ser um instrumento de aperfeiçoamento da produção, não mais usada somente nos momentos de necessidade, é preciso equilibrar as vantagens do uso da água com as suas consequências, que estão descritas na Tabela 1 (Mantovani et al., 2007).
Tabela 1: Vantagens e desvantagens do uso da irrigação.
Vantagens Desvantagens
Aumenta a produção e produtividade Aumenta emprego e renda
(consistente e estável) Diminui o êxodo rural
Auxilia o desenvolvimento da região, do estado e do país
Problemas com um consumo de um grande volume de água
Excesso de aplicação em muitas áreas
Possibilidade de problema ambiental Limitação de recursos hídricos em
muitas regiões Fonte: Mantovani et al. (2007, p.14).
O desenvolvimento da agricultura, o avanço tecnológico e o crescimento das preocupações em torno dos problemas ambientais, fazem da agricultura de precisão uma prática crescente
no campo da automação. A agricultura irrigada é de suma importância na contribuição para a criação de empregos, a inserção da dimensão competitiva e da modernização produtiva na agricultura e redução dos desequilíbrios regionais e sociais (Heinze, 2002).
Na agricultura de precisão é necessário que se tenha conhecimento das condições do solo, medindo a quantidade de água disponível para a planta, ou seja, a umidade do solo. Existem vários métodos para se determinar a umidade do solo, que diferem quanto às suas características (operacionalidade no campo, calibração, preço, instalação, local de medição) e existem muitos equipamentos de medição no mercado, tendo como referência o método padrão de estufa, que consiste em pesar uma amostra de solo coletada no campo, passando por uma estufa de secagem e depois a amostra é pesada novamente, obtendo-se a umidade do solo através da relação entre as pesagens (Mantovani et al., 2007).
Existem outros métodos para determinação da umidade do solo, que dependem da necessidade do usuário, são eles: medidores de tensão (tensiômetros e células eletrométricas), sonda de nêutrons, medidores de capacitância, determinador de umidade por equivalência de água, técnica do domínio da reflectometria no tempo (Mantovani et al., 2007).
O método utilizado no trabalho é o de medição da tensão da água no solo (potencial matricial) utilizando uma célula eletrométrica, o sensor de matriz granular. Segundo REICHARDT (1985, p. 115), “o potencial matricial é o resultado de forças capilares e de adsorção que surgem devido à interação entre a água e as partículas sólidas, isto é, a matriz do solo. Essas forças atraem e fixam a água no solo, diminuindo sua energia potencial com relação á água livre”.
Entre os sensores mais utilizados no monitoramento da tensão da água no solo citam-se os tensiômetros e os sensores de matriz granular. Os tensiômetros apresentam limitações para o uso em sistemas automatizados de controle da irrigação em virtude da necessidade frequente de manutenção (Miranda apud. Schmugge et al., 1980). “Os sensores do tipo matriz granular são relativamente baratos, não requerem manutenção e podem ser facilmente conectados a sistemas eletrônicos de aquisição de dados e de controle” (Miranda et al, 2010, p. 185).
Uma pesquisa foi realizada para avaliação do desempenho de um sistema de irrigação automatizado, utilizando sensores de matriz granular para medir a tensão da água no solo. O experimento foi realizado em uma produção de bananas no estado do Ceará. Foram distribuídos ao longo da plantação 48 medidores de tensão no solo do tipo matriz granular WATERMARK e três sensores de temperatura do solo, sendo que para cada ponto de
medição, foram instalados três medidores de tensão no solo em profundidades diferentes, 0,10; 0,30 e 0,50 metros, assim também no ponto de medição de temperatura. Os sensores foram conectados a um sistema de aquisição de dados, de controle e de atuação. O monitoramento foi feito durante 510 dias e o sistema de controle de tensão da água no solo apresentou algumas deficiências, prejudicando o resultado da colheita, mas quando os sensores funcionaram perfeitamente, o sistema se apresentou como bastante prático, apresentando as variações esperadas de acordo com os limites de tensão estabelecidos para o início e fim da irrigação. A Figura 1.2 mostra a leitura dos sensores que determinavam o início da irrigação com 30 kPa (Macedo et al., 2010).
Figura 1.2: Variação da tensão de água no solo para o tratamento que iniciava a irrigação em 30 kPa (T2). Fonte: Macedo et al., 2010.
Ainda nesta mesma localidade e aproveitando do mesmo sistema instalado, foi realizado um estudo sobre as diferentes tensões de água no solo em relação à produtividade e eficiência do uso de água. Foram analisadas quatro diferentes tensões de água no solo como indicativas do momento a irrigar (15, 30, 45 e 60 kPa). Para que se possa controlar a tensão da água no solo através de um sistema de controle, é necessário saber o valor ideal da tensão, a fim de não acontecerem perdas produção e não se desperdiçar água. Os resultados obtidos por Miranda et
al. (2010) foram que “uma tensão de água no solo de até 45 kPa na zona radicular da cultura pode ser utilizada para o manejo da irrigação, sem redução de seu rendimento. No entanto, recomenda-se a utilização da tensão de 15 kPa, por apresentar maior eficiência de uso da água, sem redução da produtividade” (Miranda et al., 2010).
1.1 MOTIVAÇÃO
A escassez natural da água doce no mundo, agravada pela poluição, crescimento demográfico e uso desordenado dos recursos naturais, faz da água um bem a cada dia mais escasso. A falta de água doce disponível impede o desenvolvimento de diversas regiões, e as alternativas para aumentar a oferta de água potável no contexto econômico (Ramos, 2010). O controle eficaz da utilização da água para o alcance dos níveis hídricos suficientes para as plantações impacta positivamente em, dentre ele:
Conforme citado por FERREIRA & GENTIL (1999) em TSCHIEDEL e FERREIRA (2002):
i. Redução do grave problema do risco da atividade agrícola; ii. Redução dos custos da produção;
iii. Tomada de decisão rápida e certa;
iv. Controle de toda situação, pelo uso da informação; v. Maior produtividade da lavoura;
vi. Mais tempo livre para o administrador; e
vii. Melhoria do meio ambiente pelo menor uso de defensivo.
Para BATCHELOR et al. (1997) citado em TSCHIEDEL e FERREIRA (2002) a agricultura de precisão pode:
i. Melhorar os rendimentos de colheita e lucros;
ii. Fornecer informações para tomar decisões de manejo mais embasado; iii. Prover registros de fazenda mais detalhados e úteis;
iv. Reduzir custos de fertilizante; v. Reduzir custos de praguicida; vi. Reduzir poluição.
E ainda CAMPO (2000) em em TSCHIEDEL e FERREIRA (2002) atribui à agricultura de precisão, os seguintes benefícios:
i. Redução de quantidades de insumos; ii. Redução dos custos de produção; iii. Redução da contaminação ambiental; iv. Aumento no rendimento das culturas.
1.2 OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é automatizar um sistema de irrigação. O sistema proposto visa aumentar a eficiência da utilização da água e a redução dos custos com a mesma, aplicando-a de maneira uniforme e satisfatória, sendo direcionado para atender as necessidades de clubes, condomínios, praças, além de pequenos e médios agricultores, nestes casos, aumentando sua competitividade no mercado e reduzindo o impacto ambiental através da redução do consumo de água.
O trabalho tem foco na automação do sistema, portanto o dimensionamento de tubulação, bomba de água, válvulas de acionamento, e de outros itens necessários para o sistema de irrigação estão fora do escopo desta pesquisa.
1.2.1 Objetivos específicos
• Estudar sistemas de irrigação com o objetivo de implementar um sistema automatizado;
• Desenvolver um sistema que conta com a presença de sensores de umidade do solo para que seja possível identificar através de equacionamento e modelagem da cultura, o exato momento da irrigação e o volume necessário e suficiente para o desenvolvimento da plantação;
• Implantar um protótipo do sistema desenvolvido;
• Realizar testes em campo com o protótipo para comprovar o funcionamento do sistema proposto.
1.3 METODOLOGIA
Para realização dos objetivos descritos na seção anterior, este trabalho contou com pesquisas bibliográficas direcionadas para irrigação de culturas, funcionamento de sensores de umidade e automação de processos de irrigação. Em seguida foi realizado um estudo para definição do método de automação do sistema de irrigação e determinação dos equipamentos a serem utilizados. Finalmente, um protótipo foi desenvolvido, testado, implementado e teve seu funcionamento comprovado.
1.4 SISTEMA PROPOSTO
O sistema proposto trabalha com o método de tensão da água para estimar a curva de necessidade hídrica da cultura, sendo possível modelar a plantação e realizar o controle através de uma Central de Controle (Mestre). O sistema realiza as leituras das tensões da água fornecidas pelos sensores de matriz granular distribuídos ao longo da plantação, sendo possível calcular as constantes de controle e realizar o acionamento da bomba de irrigação junto a manipulação das válvulas de direcionamento (válvulas on-off), sendo estas as responsáveis pela seleção dos setores a serem controlados e irrigados conforme ilustra a Figura 1.3.
Figura 1.3 Ilustração do Sistema de Irrigação Localizada em Malha Fechada.
1.5 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO
Esta monografia está organizada da seguinte forma: o primeiro capítulo contém uma introdução geral sobre o assunto abordado, descreve os objetivos do trabalho e informa brevemente sobre a estrutura do sistema proposto. O segundo capítulo aborda o marco teórico, tratando tanto de conceitos relacionados à irrigação como de conceitos referentes à automação (sensores, microcontroladores, etc.). O terceiro capítulo explica detalhadamente o sistema desenvolvido, enquanto o quarto capítulo ilustra resultados de sua implementação em campo. Finalmente, o quinto capítulo encerra o texto com algumas conclusões.
2 MARCO TEÓRICO
Neste capítulo será apresentada a fundamentação teórica em agricultura necessária para a elaboração deste trabalho.
2.1 DISPONIBILIDADE DE ÁGUA NO SOLO
O solo é onde fica armazenada a água proveniente das chuvas ou da irrigação, para que mais tarde seja absorvida pelas plantas. Conforme mostra a Figura 2.1, a água disponível para as plantas está presente entre o ponto de murcha permanente (PMP) e a capacidade de campo (CC) (Fernandes & Mantovani, 2006).
A capacidade de campo é a quantidade máxima de água que um solo, bem drenado, pode reter. É quando o movimento descendente da água no solo é muito pequeno em relação à absorção das raízes. Considera-se como a umidade retida do solo sob tensão na faixa entre 10kPa a 30 kPa, dependendo do tipo de solo; para solos arenosos, o valor é de 30 kPa, e para solos argilosos, esse valor é de 10 kPa (Siqueira, 2011) ( Assad, 2009).
O ponto de murcha permanente acontece quando o teor de água no solo é tão baixo que provoca um murchamento irrecuperável no vegetal. Nesse ponto, a tensão apresentada no solo é acima de 1500 kPa e a água no solo é conhecida como água não disponível. Quando a tensão do solo encontra-se entre a faixa de 10 kPa a 30 kPa, aproximadamente, até 1500 kPa, a quantidade de água no solo é conhecida como água disponível. A faixa abaixo de 10 kPa a 30 kPa, é conhecida como água de percolação (Assad,2009) (Fernandes & Mantovani, 2006).
Figura 2.1: Esquema representativo da capacidade de armazenamento de água nos poros do solo. Fonte: Fernandes & Mantovani, 2006.
Para que se conheça a umidade do solo através da tensão, é necessário ter a curva característica da água no solo (CCAS), que varia de acordo com o tipo de solo e pode ser determinada com precisão através de ensaios em laboratório. A Figura 2.2 mostra um exemplo de CCAS, indicando o teor de água no solo em volume de água por volume de solo coletado, considerando 1atm = 101,3kPa (Braga & Calgaro apud Bernardo et al., 2006) (IPEM-SP).
Figura 2.2: Curva de retenção de água no solo, em papel semilogaritimico do Latosolo Vermelho Amarelo – Embrapa Semiárido – Bebedouro, Petrolina, PE. Fonte: Braga & Calgaro, 2010.
2.2 DEFINIÇÃO DE QUANDO IRRIGAR
O momento de se irrigar não deve ultrapassar o limite mínimo de água no solo, determinado pela tensão limite ou força máxima que a planta pode exercer para retirar a água do solo necessária para o seu desenvolvimento sem prejudicar a produção, e o momento em que a irrigação deve ser interrompida é o que antecede o limite máximo de água no solo, que é quando a tensão de água no solo é baixa e a partir deste ponto pode haver desperdício de água. A Tabela 2 mostra os limites máximos de tensão da água no solo para diversas culturas. Para melhor entendimento, define-se evapotranspiração como evaporação da água no solo somada à transpiração da planta (Braga & Calgaro, 2010).
Tabela 2: Valores críticos máximos de tensão de água do solo para diversas culturas em região com períodos de altas (valores à esquerda) e baixas evapotranspiração (valores à direita).
Culturas Tensão de água no solo (kPa)
Culturas Tensão de água no solo (kPa)
Alfafa 50 a 100 Melão 30 a 200
Banana 30 a 150 Cebola 35 a 45
Feijões 60 a 100 Ervilha 30 a 80
Repolho 60 a 100 Batata 30 a 70
Cenoura 50 a 70 Arroz Saturação/próximo
Citrus 50 a 100 Sorgo 60 a 130
Algodão 100 a 200 Soja 50 a 100
Cucurbitáceas 100 a 200 Morango 20 a 50
Pl. Ornamentais 20 a 50 Beterraba 50 a 80
Videira 40 a 100 Cana de açúcar 60 a 100
Pastagens 40 a 100 Tomate 40 a 100
Alface 40 a 60 Trigo 40 a 100
Milho 50 a 100 Mangueira 50 a 100
Note que, conforme a Tabela 2, para o morango, o valor de tensão máximo de água no solo, que é quando a planta começa a sentir falta de água, está entre 20 kPa e 50 kPa. Estes valores representam quando a irrigação deve ser iniciada e finalizada, respectivamente, sem que o desenvolvimento da cultura seja afetado negativamente.
A Tabela 3 mostra faixas de medição de tensão e suas interpretações, indicando até que ponto pode-se manter a tensão de água no solo sem ter prejuízos na cultura nem desperdício de água.
Para saber a tensão ideal de água no solo que deve ser mantida para uma determinada região, tipo de solo e cultura, é necessário o apoio de um engenheiro agrônomo para realizar os estudos e ensaios em laboratório.
Tabela 3: Leituras da tensão da água no solo e sua interpretação.
Leitura (kPa) Interpretação
0 – 10 Solo próximo da saturação (capacidade de campo). Mais saturado que este valor (valores menores) o solo passa a perder água por drenagem, percolando para camadas mais profundas pela ação da gravidade.
10 - 30 Solo adequadamente úmido, exceto solos muito arenosos em que acima de 15-20 kPa já indica solo perdendo umidade tornando-se seco.
30-60 Faixa Normalmente encontrada no campo em solos de textura média e argilosa.
Maior que 60 Solo tornando-se muito seco comprometendo desenvolvimento das plantas.
2.3 MEDIÇÃO DA TENSÃO DA ÁGUA NO SOLO
Com a finalidade de se obter a tensão instantânea da água no solo, os dispositivos de campo são os mais recomendados, dispensando métodos laboratoriais, que necessitam de certo tempo para retornar os resultados. Os métodos que medem a tensão da água no solo são os mais utilizados (Calbo & Silva, 2005).
2.3.1 Método Tensiométrico
No método tensiométrico de determinação da tensão da água no solo, é utilizado o instrumento de campo chamado de tensiômetro.
“O princípio de funcionamento do tensiômetro baseia-se na formação do equilíbrio entre a solução do solo e a água contida no interior do aparelho. O equilíbrio ocorre quando a cápsula porosa entra em contato com o solo e a água do tensiômetro entra em contato com a água do solo” (Coelho & Teixeira, 2004, p. 527).
É um método direto de medição da tensão da água no solo, mas com indicação somente na área1, através de um vacuômetro. O tensiômetro é formado por um tubo plástico preenchido por água, um vacuômetro e uma cápsula porosa, conforme ilustra a Figura 2.3. O conjunto deve ser colocado no solo de modo que a cápsula porosa fique no ponto onde se deseja obter a tensão. A cápsula porosa, por sua vez, estando em contado com o tubo preenchido com água, ficará sempre saturada e quando em contato com o solo, que tem potencial hídrico menor do que a cápsula receberá uma tensão (a mesma tensão que o solo está provocando para reter a água) provocando um vácuo no final do tubo, onde está o vacuômetro, sendo possível assim que seja feita a leitura direta da tensão da água no solo (Mantovani, 2008).
Como este tipo de medição não transmite nenhum sinal, servindo apenas para indicação de valores no campo, não é possível coletar os dados eletronicamente, tornando-se inviável para o projeto.
1
Esta nomenclatura aplica-se a equipamentos que não possuem leitura a distância, sendo necessário a verificação in-loco.
Figura 2.3: Vista de dois tensiômetros com manômetro metálico, para instalação em diferentes profundidades, especificando os diferentes componentes. Fonte: Mantovani (2008, p.49).
2.3.2 Métodos Eletrométricos
Este método tem por base, a quantidade de água no solo influencia na intensidade da corrente elétrica entre dois eletrodos e quanto mais úmido estiver o solo, menor será a resistência à passagem de corrente elétrica, e vice versa. O valor da resistência elétrica será proporcional a tensão do solo Os medidores consistem em dois eletrodos inseridos em uma cápsula porosa, que geralmente é envolvida por uma membrana sintética, protegendo da salinidade do solo e evitando deterioração (Mantovani et al, 2007).
Estes medidores exigem um bom contato entre a célula e o solo, por isso a instalação deve ser cuidadosa. Outras características importantes são que a coleta de dados pode ser contínua (Mantovani et al, 2007).
2.3.3 Método de Bouyoucos
É um método eletrométrico em que os eletrodos são inseridos em um bloco de gesso conforme ilustra a Figura 2.4. É um sensor que não necessita de manutenção, mas as
propriedades do bloco podem se alterar com o passar do tempo e a temperatura influencia na medida (MUÑOZ-CARPENA, 2004).
Figura 2.4: Bloco de Bouyoucos. (MUÑOZ-CARPENA, 2004).
2.3.4 Método de Colman
É um método eletrométrico que tem o mesmo princípio de funcionamento que o Bouyoucos, mas o bloco onde estão inseridos os eletrodos é de fibra de vidro, envolvido por duas chapas de metal perfuradas. No bloco ainda contém um medidor de temperatura, para que seja realizada a correção da medição. O sensor necessita ser calibrado de acordo com o tipo de solo em que está instalado (VIELMO, 2008).
2.3.5 Sensor de Matriz Granular
É composto por dois eletrodos concêntricos inseridos em uma estrutura porosa especial, que por sua vez, esta envolvida numa membrana contra deterioração e protegida por uma gaiola de aço inoxidável. Uma corrente alternada é aplicada no sensor para obter o valor da resistência. Quando há alterações da tensão da água no solo, a quantidade de água entre os eletrodos também se altera, variando a resistência elétrica entre os eletrodos (Irmak et al., 2006 e IRROMETER).
O sensor Watermark® é fabricado pela Companhia Irrometer®. O modelo 200SS pode se adaptar a qualquer tipo de solo, em qualquer cultura e tipos de irrigação e suporta temperaturas baixas. A faixa de leitura é de 10 kPa a 239 kPa. São sensores que não necessitam de manutenção e calibração e podem ficar no solo por tempo indeterminado. A salinidade, que pode afetar a leitura, é compensada automaticamente por uma pastilha cilíndrica junto à estrutura porosa (Irmak et al., 2006 e IRROMETER).
A instalação deve ser bem cuidadosa e tanto o solo quanto o sensor devem ser preparados para a instalação. Para acelerar o tempo de resposta, o sensor deve ser imerso em água por trinta minutos e ter secado por oito horas, isso por duas vezes, e antes da instalação deve ser imerso em água por oito horas, bem como o solo, que tem que estar bem molhado para garantir um melhor contato. Para facilitar a instalação e uma possível remoção do sensor, sugere-se anexar ao sensor um tubo PVC com cola, passando os fios pelo seu interior e usando um tampão para impedir a entrada de água, como ilustrado na Figura 2.5. O comprimento do tubo será relativo à profundidade que o sensor ficará. O furo para a instalação do sensor deve ser feito com um trado de diâmetro igual ao do sensor para que não exista um caminho fácil para a infiltração da água, falsificando a leitura (Irmak et al., 2006 e Tracom).
A profundidade de instalação do sensor depende da profundidade alcançada pela raiz da planta. Para culturas de sistema radicular pequeno, como é o caso da jardinagem, basta instalar um sensor a aproximadamente 30 cm de profundidade, já para culturas com raízes mais profundas, é necessário instalar pelo menos dois sensores em profundidades diferentes, para se conhecer a uniformidade da rega e se não está ocorrendo desperdício de água (Tracom).
Figura 2.5: Fixação do tampão para evitar que a água da chuva e da irrigação entre no tubo. Fonte: Irmak et al. (2006, pg.3).
A temperatura do solo afeta a leitura do potencial matricial do solo. O sensor 200SS é calibrado para uma temperatura de 70ºF, mas de acordo com Irmak et al. (2006, pg.4) a equação 1 pode ser usada quando a temperatura for diferente de 70ºF.
SMP x 0,01 x F) 70º -(Ts SMP SMPadj= + (1) Em que:
SMPadj – potencial matricial do solo ajustado.
SMP – potencial matricial do solo lido pelo sensor. Ts – Temperatura do solo (ºF).
2.4 MICROCONTROLADORES
Os microcontroladores são circuitos integrados que possuem um processador e uma série de periféricos, como: memória e pinos de entrada e saída. A saída pode ser manipulada através da programação carregada na memória e através das entradas (Brain, 2011) (Marinho & Marinho, 2001).
Para realizar suas operações e ações de controle, o microcontrolador entende como entrada ou saída de processo o estado de algum periférico, seja ele um led, sensor, botão, display, entre outros (Souza, 2005).
O microcontrolador é dito programável porque nele é gravada toda a lógica de operação através de um programa, que quando executado no microcontrolador, irá realizar as funções desejadas. O responsável pelas operações lógicas e cálculos matemáticos é a Unidade Lógica Aritmética (ULA), e é a ULA quem determina a capacidade de processamento do microcontrolador (Souza, 2005).
Para melhor entendimento sobre microcontroladores, algumas propriedades, periféricos e conceitos devem ser conhecidos e de acordo com Souza (2005) e Andric & Matic (2000):
i. Interrupção: é o desvio instantâneo do programa principal para uma sub-rotina em resposta a algum acontecimento.
ii. Pilha: é um local separado da memória que tem a função de guardar o endereço de retorno ao programa principal quando este, através de instruções, é desviado para um subprograma.
iii. Portas: grupo de pinos que o microcontrolador utiliza para se comunicar com o mundo exterior, podendo ser configurados como entrada ou saída. Podem também ser configurados para outras aplicações, como temporizadores por exemplo.
iv. Unidade lógica aritmética (ULA): responsável pelas operações matemáticas, deslocamento e operações lógicas.
v. Memória de programa: é onde são armazenadas as rotinas que o microcontrolador deve realizar. Os dispositivos mais versáteis possuem memória de programa do tipo flash, que pode ser regravada aproximadamente 100.000 vezes, o que é muito importante para a fase de desenvolvimento e testes (MICROCHIP, 2009).
vi. Memória de dados: é onde são armazenadas as variáveis e registradores que são utilizados pelo programa. Por se tratar de uma memória volátil, quando o microcontrolador é desligado, os dados se perdem.
vii. Memória de dados EEPROM: é uma memória não volátil na qual o usuário pode utilizar, quando necessário, para armazenar dados que não serão perdidos quando o microcontrolador for desligado.
viii. Temporizador: É um periférico responsável por incrementar periodicamente o valor de determinado registrador de forma independente da ULA.
ix. Oscilador: é o responsável por fornecer o relógio (clock) ao microcontrolador. O clock é necessário para a execução das instruções do programa. Para uma maior precisão pode ser usado um oscilador externo.
2.4.1 Microcontrolador PIC18F2550
O microcontrolador utilizado como mestre no projeto é o PIC18F2550 do fabricante MICROCHIP®. Na Tabela 4 estão os dados técnicos do PIC18F2550 fornecidos pelo fabricante através da folha de dados e a Figura 2.6 traz uma ilustração do microcontrolador. Baseado nas características técnicas e disponibilidade em tempo de projeto, este microcontrolador foi utilizado para implementar a função de mestre na arquitetura selecionada, sendo responsável por interpretar as leituras geradas pelos escravos, processar esta informação, comparar com o set-point desejado para o determinado setor e realizar o acionamento do atuador correspondente. Neste módulo estão implementados a lógica de controle, o circuito de acionamento e a interface homem-máquina, através de botões para ajuste de set-point, display LCD, botões de seleção e porta de comunicação com os módulos escravos.
Tabela 4: Especificações do PIC18F2550.
CARACTERÍSTICAS DO PIC18F2550
Frequência de operação DC - 48 MHz
Memória de Programa (Bytes) 32768
Memória de Programa (Instruções) 16384
Memória de Dados (Bytes) 2048
Memória de dados EEPROM (Bytes) 256
Fontes de Interrupção 19
Portas de Entrada/Saída Portas A, B, C, (E)
Temporizadores 4
Comunicação USB 1
Módulo A/D 10bit 10 canais de entrada
Fonte: MICROCHIP PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet (2009).
2.4.2 Microcontrolador PIC16F688
O microcontrolador utilizado como Escravo no projeto é o PIC16F688 e suas características relevantes estão descritas na Tabela 5.
Tabela 5: Especificações do PIC16F688.
CARACTERÍSTICAS DO PIC16F688
Frequência de operação 20 MHz
Memória de Programa (Instruções) 4096
Memória de Dados (Bytes) 256
Memória de dados EEPROM (Bytes) 256
Pinos de Entrada/Saída 12
Módulo A/D 10bit 8 canais
Fonte: MICROCHIP PIC16F688 Data Sheet (2007).
Este microcontrolador foi selecionado devido ao baixo custo de aquisição no mercado nacional, quantidade de pinos de Entrada e Saída, número suficiente de entradas analógicas e comunicação serial implementada em hardware. A Figura 2.7 traz uma ilustração do PIC 16F688.
2.5 COMUNICAÇÃO
A comunicação é realizada através do SN75176, que utiliza a tecnologia do meio de transmissão de rede RS485, como estrutura mestre/escravo. Uma das grandes vantagens de fazer a comunicação através de RS485 é que a comunicação é feita em modo diferencial2, reduzindo a probabilidade de interferências eletromagnéticas. Além disso, permite ter até 255 nós e o cabo de comunicação pode ter até 1200 metros de comprimento (Integrity Instruments, 2011).
Para realizar o controle do SN75176, são disponibilizados no microcontrolador, 3 pinos que são responsáveis por habilitar, ou desabilitar, o controle de acesso ao barramento, o hardware de transmissão e o de recepção de dados. A tabela de funcionamento do SN75176 pode ser consultada no anexo A e o esquemático do mesmo é apresentado na Figura 3.12. A Figura 2.8 ilustra o CI SN75176.
Figura 2.8:Imagem do CI SN75176
2.6 PROCESSOS
Conforme citado por Ogata (2006, p. 2), processos são como uma “uma operação contínua progressiva, artificial ou voluntária, que consiste em uma série de ações ou movimentos controlados, sistematicamente destinados a atingir determinados fins ou resultados”, ou ainda, segundo Ribeiro (2005, p. 22), “qualquer operação ou série de operações que produza o resultado final desejado é considerada um processo”.
2
Modo Diferencial – Com o par trançado de comunicação, o ruído atingirá o par simultaneamente. A tecnologia de modo diferencial consiste em identificar como sinal, a diferença de tensão entre o par de comunicação.
2.6.1 Processos Contínuos
São processos que acontecem continuamente no tempo e o produto final é obtido sem interrupções. Um exemplo simplificado pode ser visto na Figura 2.9. Um processo contínuo pode levar horas e até dias para se estabilizar e as paradas por completo dos processos são feitas em intervalo grande de tempo (Ribeiro, 2005) (Oliveira, 1999).
As variáveis de um processo contínuo geralmente são: temperatura, nível, vazão, tempo, umidade, entre outras. Como exemplo de indústrias com processos contínuos estão as indústrias químicas, petrolíferas, de celulose, alimentícias e metalúrgicas (Correa, 2002).
Figura 2.9: Esquema simplificado do processo contínuo. Fonte: Ribeiro (2005, p. 22).
2.6.2 Processos Descontínuos
Um processo recebe a característica de descontínuo quando é possível determinar a quantidade de produto ao final de cada ciclo e a entrada de matérias primas é iniciado somente após o término do ciclo anterior.
2.6.3 Variável Controlada
A variável controlada, também chamada de variável de processo, é a que representa mais diretamente o estado ou valor desejado do produto. A variável controlada é aquela que se deseja manter no valor desejado, de forma controlada, independente de distúrbios ou influência de outras variáveis, é a variável que é medida ao final do sistema para que sejam feitas as alterações necessárias no processo. A variável controlada é que dita o tipo e o nome da malha de controle, se é uma malha de controle de pressão, a variável controlada é a pressão (Chaves, 2002) (Ribeiro, 2005).
2.6.4 Variável Manipulada
“A variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado.” (Teixeira, p. 8, 2006).
Para que a variável manipulada possa ser atuada, será definido um elemento final de controle que dependerá da grandeza física desta variável, podendo assim, ser alocados uma válvula, damper, ou um motor.
2.7 CONTROLE DE PROCESSOS
Para Ribeiro (2005, p. 28), o controle de processos significa “obter os resultados desejados dentro dos limites de tolerância razoáveis. Sempre que houver um distúrbio ou variação de carga no processo, a variável controlada deve retornar exatamente ao ponto de ajuste estabelecido, dentro do tempo prescrito e com um erro de pico limitado”.
2.7.1 Malha de Controle
“A malha é uma série de instrumentos, interligados entre si, que produz um resultado útil e desejado, com pequena ou nenhuma supervisão humana” (Ribeiro, 2005, p. 38).
Mesmo diante da complexidade de um processo, é a malha de controle quem faz o controle automático. Um sistema com muitas variáveis independentes pode ser dividido até se chegar a uma malha que controle uma única variável (Ribeiro, 2005).
2.7.2 Sistemas de Malha aberta
Sistema de malha aberta é aquele em que a variável controlada não influenciará em nada alguma variável de entrada do processo, sendo assim, o processo não terá correções ou alterações na variável controlada sem que a entrada do processo seja alterada manualmente. A Figura 2.10 mostra um exemplo de sistema em malha aberta (Bega et al., 2006).
Um sistema de malha aberta não pode ser utilizado em meios em que existem distúrbios internos ou externos. É um sistema em que cada entrada gera uma saída conhecida, que para ser preciso, necessita de uma boa calibração (Ogata, 2006).
Figura 2.10:Sistemas de malha aberta. Fonte: Coelho (2008, p.7).
2.7.3 Sistemas de Malha Fechada
“Em um sistema de controle de malha fechada, o sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal de realimentação [...], realimenta o controlador, de modo que minimize o erro e acerte a saída do sistema ao valor desejado” (Ogata, 2006, p. 5).
Num sistema de malha fechada, a variável de processo é medida e regulada de acordo com o que é desejado. As alterações para tal são feitas na variável de entrada do processo, tais como pressão, nível ou temperatura, assim podendo ser chamada de variável manipulada. O controle pode ser feito de forma manual, alterando a variável manipulada manualmente para chegar ao valor desejado (set-point) na variável de processo, e pode ser feita de forma automática por um controlador que receberá as leituras das variáveis e tomará ações de controle para chegar
ao set-point. Um exemplo de controle de malha fechada pode ser observado na Figura 2.11
(Bega et al., 2006).
Figura 2.11: Malha fechada. Fonte: Coelho (2008, p.8).
2.7.4 Controle Manual
No controle manual, a indicação da variável de processo é acompanhada e se necessário uma ação é realizada manualmente no elemento final de controle com o objetivo de aproximar ao máximo a variável de processo ao valor desejado. Este processo pode ser demorado e a resposta lenta, dependendo do tipo de variável de processo, mas com uma série de ações, é possível alcançar o valor desejado (Teixeira, 2006) (Oliveira, 2009).
2.7.5 Controle de Duas Posições (liga/desliga)
O controle de duas posições é o controle automático mais barato do mercado, sendo muito utilizado tanto em sistemas de controle domésticos quanto em industriais. Este tipo de controle só permite ao elemento final dois estados: um valor mínimo e um valor máximo, geralmente usado onde o processo tem uma resposta muito lenta e em sistemas de segurança. Para evitar a operação de liga e desliga freqüente, é inserido um intervalo entre as ações, fazendo com que a saída do controlador se mantenha até um valor predeterminado além do valor desejado, conforme ilustrado na Figura 2.12 (Oliveira, 1999) (Gonçalves, 2003).
Figura 2.12: Intervalo entre as ações de liga e desliga. Fonte: Oliveira (1999, p. 21).
Um dispositivo muito usado no controle liga/desliga é a solenóide, que quando energizada, permite que uma válvula esteja totalmente aberta, e quando desenergizada, faz com que a válvula retorne para a sua posição inicial, fechada (Oliveira, 1999). Existem também as solenóides que são totalmente fechadas quando energizadas e abertas quando desernegizadas.
2.7.6 Instrumentos de uma Malha de Controle
O ideal é que a malha de controle tenha o mínimo possível de instrumentos para um controle eficiente e seguro, mas geralmente devido a perdas de sinal, tempo de resposta, compatibilidade de sinais, entre outros problemas, a malha de controle tem vários instrumentos auxiliares. A Figura 2.13 ilustra uma malha típica de instrumentos (Ribeiro, 2005).
Figura 2.13: Malha típica de instrumentos: transmissor, controlador e válvula de controle. Fonte: Ribeiro (2005, p. 38).
2.7.6.1 Elemento Sensor
O sensor é o elemento primário da malha de controle. É o sensor que detecta variações na variável de processo (Chaves, 2002).
2.7.6.2 Transmissor
Para Nunes (2003, p. 4), o transmissor é o “instrumento que transmite o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo”.
O transmissor é opcional. Pode ser usado para enviar dados a grandes distâncias, com o objetivo de centralizar e padronizar as informações numa sala de controle. Os sinais padrões são: se elétrico, 4 a 20 mA ou 0 a 5V e se pneumático, 3 a 15 psi. Um exemplo de transmissor eletrônico com indicação pode ser visto na Figura 2.14 (Ribeiro, 2005).
Figura 2.14: Transmissor eletrônico com indicação e sensor de pressão diferencial. Fonte: Ribeiro (2005, p. 39).
2.7.6.3 Controlador
O controlador recebe o valor da variável medida, compara com valor desejado e gera sinal de saída para aproximar a variável controlada do valor desejado. O controlador pode fazer a medição diretamente, ou receber sinal de um transmissor (Nunes, 2003).
2.7.6.4 Elemento final de controle
Trata-se de um dispositivo capaz de atuar na variável manipulada a fim de alcançar o valor desejado da variável de processo. A válvula é o elemento final de controle mais utilizado na indústria e tem a função de interromper, permitir ou controlar a quantidade de energia ou material que passa por ela, dependendo do sinal enviado por um controlador (Coelho, 2008).
3 DESENVOLVIMENTO
Para ser alcançado o objetivo de desenvolvimento e implantação do sistema de controle de irrigação, foi desenvolvido um protótipo que, dividido em blocos conforme Figura 3.1, realiza a leitura, o controle e o acionamento do sistema de irrigação.
Figura 3.1: Visão geral do sistema.
Baseado na arquitetura Mestre/Escravo, o módulo principal foi construído visando utilizar os elementos de acionamentos disponibilizados no campo de implantação, sendo este campo, o paisagismo da Faculdade do Centro Leste, situada em Serra Espírito Santo (Latitude: -20,202219º – Longitude: -40,220373º). Este local conta com um vasto campo de paisagismo formado por grama e plantas ornamentais conforme se observa na Figura 3.2. Para realizar a irrigação deste campo, a Faculdade do Centro Leste possui 8 (oito) válvulas solenóides da RAIN BIRD 24VAC – 0,3A, 1 Bomba de 3 cv, cujos dados de placa estão disponíveis na Figura 3.3, e todo acionamento é realizado via controle programável da fabricante RAIN BIRD. A Figura 3.4 mostra uma das válvulas solenóides instalada no campo.
Figura 3.2: Campo de teste da Faculdade do Centro Leste.
Figura 3.4: Válvula solenóide instalada na Faculdade do Centro Leste.
Figura 3.5: Controle programável RAIN BIRD.
O módulo RAIN BIRD de controle presente para o acionamento dos setores, apresentado na Figura 3.5, possui principalmente, as funções de teste de setor e temporização do mesmo, porém é necessário que seja estipulado junto ao operador do sistema o momento de irrigação, na qual se define o tempo de irrigação e a seleção do setor baseado em histórico da irrigação e observação do campo em questão.
Baseando-se nos equipamentos e sistema instalados na Faculdade do Centro Leste, o módulo mestre é equipado com 8 (oito) saídas de 24VAC – 0,4 A – sendo 1 (uma) saída para o acionamento do motor e 7 (sete) setores de irrigação, 1 (um) IHM (Interface Homem – Máquina), 4 (quatro) botões para manipulação dos menus, seleção do tipo de controle, set-point para cada setor (necessário somente na função de Controle Automático) e uma porta de comunicação que é capaz de fornecer 15VCC, terra (referência) e o par de pinos necessários para o barramento de comunicação com os Escravos. O módulo mestre em fase de desenvolvimento e testes pode ser visto na Figura 3.6.
Figura 3.6: Módulo mestre em fase de desenvolvimento e testes.
A aplicação de corrente contínua ao sensor pode provocar uma reação corrosiva que forma micro bolhas de gás próximo aos eletrodos, alterando a resistência elétrica entre eles. Por isso, o sensor seria excitado em corrente alternada. No entanto, Campbell Scientific (2005) e Allen (1999) sugerem um método chaveado para leitura desse sensor usando corrente contínua. Por ser de implementação mais simples, tal método foi adotado neste trabalho. O valor de resistência é corrigido através da Equação 1 e tem relação direta com a tensão de água e temperatura apresentada pelo solo.
O valor da tensão de água no solo é enviado ao módulo mestre através do barramento de dados, utilizando uma rede RS-485, prevendo assim a interferência de ruídos com consequente perda de dados. A Figura 3.7 apresenta o módulo escravo montado.
Figura 3.7: Foto do módulo escravo finalizado
3.2 MÓDULO MESTRE
O módulo descrito como Mestre é responsável por monitorar e controlar todo o processo de irrigação. É neste módulo que está registrado o set-point de cada setor monitorado pelo respectivo módulo escravo. Após os dados serem processados pelo microcontrolador, ele gera uma saída através de três pinos que estão ligadas a 8(oito) relés que são relacionados aos setores a serem irrigados. Tais saídas podem adotar uma tensão de 250V – 10A, porém, para esta aplicação, as saídas fornecem 24VAC – 300mA, sendo estes os valores indicados para o acionamento das solenóides instaladas em campo. Este módulo conta com um firmware
responsável por realizar as configurações iniciais e as devidas inicializações, posterior a isto, o usuário é redirecionado para o menu de seleção, na qual esta disponível os modos de operação. Este funcionamento é apresentado graficamente na Figura 3.8. A Figura 3.9 apresenta o módulo mestre finalizado.
Figura 3.8 Fluxograma de funcionamento do programa
3.3 ESQUEMÁTICOS
Nesta seção serão apresentados e discutidos os circuitos eletrônicos desenvolvidos para cada módulo do sistema proposto.
3.3.1 Mestre
Neste item são abordados os principais esquemáticos dos circuitos presentes no módulo mestre.
• Fonte de Alimentação
A fonte de alimentação é capaz de fornecer 24VAC, 12VCC, 7VCC, 5VCC e 2A dimensionados para alimentação das válvulas de irrigação, acionamento dos setores e manutenção da placa de controle, respectivamente. Para que sejam alcançados os valores de tensão e corrente, é utilizado um transformador de +24VAC x 2A que, após realizar a retificação de onda completa pelo conjunto de diodo 1N4007, é seguido do capacitor de filtro da fonte no valor de 2200 uF. Após o sinal ser retificado e filtrado, é acoplado, em série com a fonte, um resistor de potência de 68 Ω x 4 W, este componente é responsável por realizar uma queda de tensão antes que parte da potência fornecida pelo transformador chegue até o regulador LM7812. Esta divisão de potência é necessária, caso contrário, o LM7812 esquenta e desarma internamente, desativando assim todo o circuito.
Os reguladores de tensão LM7812, LM7805 e LM317 são utilizados para fornecer os 12VCC, 5VCC e 7VCC, necessários para linha de alimentação dos escravos, mestre e relés de acionamento, respectivamente. A fonte de 24VAC é redirecionada pelos relés para acionamento das válvulas de acionamento. A Figura 3.10 apresenta o esquemático da fonte de alimentação e os valores dos componentes estão descritos na Figura 3.11.
Figura 3.10 Esquema da fonte de alimentação.
• Comunicação
Para que possa ocorrer à comunicação entre Mestre x Escravo a longas distâncias, foi necessário implementar o meio de comunicação do tipo RS485 e um protocolo proprietário. O componente utilizado é o SN75176 que é capaz de transformar a entrada TTL (0 A 5V) para a saída de RS485. Esta alteração é necessária devido a possíveis ruídos no canal de comunicação quando implantado no campo de irrigação. A Figura 3.12 apresenta o esquemático do circuito de comunicação.
Figura 3.12: Canal de comunicação RS485.
• Controle de setor
Devido à quantidade insuficiente de pinos no microcontrolador Mestre, foi necessário a implementação do CI CD4094. Este componente, também conhecido como shifter register, é ideal para aplicação que possuem número reduzido de pinos, devido à vantagem de que com apenas 3 pinos do microcontrolador é possível realizar o controle de 8, ou mais saídas, de acordo o diagrama de controle do CD4094 na Figura 3.13.
Figura 3.13: Diagrama de controle do CD4094 Fonte: Fairchild Datasheet CD4094B.
O CD4094 trabalha de maneira que ao ter o pino de DADOS em alto (5V) e receber o pulso no pino CLOCK, o registro criado (1) é então deslocado para outro bit. Se o pino de DADOS permanecer em nível baixo (0V) e o pino CLOCK receber o pulso, então é deslocado o registro (0). Após o carregamento, o pino STROBE é acionado e todas as saídas do CD4094 obedecem aos bits registrados, como exemplo, caso o CD4094 seja carregado com “01110101”, após o acionamento todo STROBE as saídas 1,2,3,5 e 7 estarão ativadas e as saídas 0,4 e 6 desativadas.
Observando o anexo B, é possível verificar que o CI em questão possui uma baixa corrente de saída, sendo necessária assim a implantação conjunta ao transistor BC517 conforme visualizado no esquemático da Figura 3.15.
Figura 3.14: Driver de controle dos setores.
• Acionamento do Setor
Para realizar o acionamento das válvulas de irrigação, foi utilizado um relé cujos contatos têm capacidade para acionamento de cargas de até 250V, 10A. Um diodo de roda-livre3 ligado aos terminais da bobina do relé foi acrescentado para proteger o circuito contra picos de tensão que podem surgir no desligamento do relé. O relé é acionado quando solicitado pelo módulo Mestre, para que seja realizado o controle das saídas de acordo com o texto do item . Devido à baixa corrente fornecida pelo CD4094, foi necessário realizar o chaveamento utilizando o transistor BC517, sendo este do tipo Darlington4, que apresenta a vantagem de ter um alto ganho de corrente conforme informado no anexo C. A Figura 3.15 apresenta o esquemático do driver de acionamento do setor.
3
Este diodo oferece um caminho alternativo para a corrente proveniente da abertura da bobina do relé, evitando assim que danifique o elemento de chaveamento (transistor) em função da tensão induzida pela interrupção abrupta da corrente.
4
É um tipo de estrutura de transistor, constituído basicamente por dois transistores contidos em uma única pastilha de silício e interligados de modo a formar um transistor de potência com elevado ganho decorrente contínua
Figura 3.15: Driver de acionamento do setor.
• Soquete IHM
O módulo Mestre conta com um LCD 20x4 para realizar a interface com o utilizador do sistema. Somado aos botões de controle, é possível transitar entre menu, configurações, dentre outros, necessários para a utilização do sistema. Tal display é capaz de mostrar até 80 caracteres simultaneamente, divididos em quatro linhas e vinte colunas. A Figura 3.16 apresenta o esquemático do soquete IHM e a foto da mesma por ser observada na Figura 3.17.
Figura 3.17: Foto da IHM em funcionamento
• Botões
O módulo Mestre possui 4 botões responsáveis pelo controle da interface da IHM. O botões foram projetados seguindo o padrão pull-down de configuração, esta característica faz com que o pino receba 5V para nível lógico alto e 0V para nível lógico baixo. A Figura 3.18 apresenta o esquemático do soquete para os botões.
Figura 3.18: Soquete para os botões.
3.3.1 Escravo
Neste item são apresentados os circuitos que compõem o módulo escravo, principalmente o driver de leitura do sensor WATERMARK.
• Driver de leitura do sensor
Para realizar a leitura da resistência do sensor WATERMARK, sendo esta, essencial para o cálculo da tensão da água no solo conforme explicado no item 2.3.5, o mesmo é submetido a um diferencial de tensão quando o ponto B da Figura 3.19 está em nível lógico alto (5V), realizando o chaveamento do transistor BC337 durante um intervalo de 5 ms a cada 30 min.. Com o chaveamento estabelecido, o sensor passa a formar um divisor de tensão junto a uma resistência de 10 kΩ, fazendo com que a tensão no ponto A da Figura 3.19 siga a relação estabelecida na equação 2. Sensor K K Va + = 10 10 * 5 (2)
De posse dos possíveis valores de tensão atribuídos a Va conforme Tabela 6, é realizada a leitura deste valor e convertido em valores decimais, conforme ilustra a Tabela 7. A curva de resposta do sensor é ilustrada na Figura 3.20.
Após os procedimentos de realizar a leitura e obter o valor decimal da mesma é possível obter o valor da resistência do Sensor com a manipulação da Equação 2, na qual obtém-se a resistência do setor através da Equação 3.
10
50
−
=
Va
Rs
(3)Tabela 6: Relação entre tensão lida x resistência WATERMARK. Resistência do Sensor (kΩ) Va (V) Resistência do Sensor (kΩ) Va (V) 1 4,55 16 1,92 2 4,17 17 1,85 3 3,85 18 1,79 4 3,57 19 1,72 5 3,33 20 1,67 6 3,13 21 1,61 7 2,94 22 1,56 8 2,78 23 1,52 9 2,63 24 1,47 10 2,50 25 1,43 11 2,38 26 1,39 12 2,27 27 1,35 13 2,17 28 1,32 14 2,08 29 1,28 15 2,00 30 1,25
Figura 3.19: Esquemático do driver de leitura do sensor WATERMARK
Figura 3.20 Relação Tensão da Água x Resistência sensor WATERMARK.
Tabela 7: Relação entre Va x Leitura analógica
Va (V) Leitura Analógica Va (V) Leitura Analógica
4,55 232 1,92 98 4,17 213 1,85 94 3,85 196 1,79 91 3,57 182 1,72 88 3,33 170 1,67 85 3,13 159 1,61 82 2,94 150 1,56 80 2,78 142 1,52 77 2,63 134 1,47 75 2,50 128 1,43 73 2,38 121 1,39 71 2,27 116 1,35 69 2,17 111 1,32 67 2,08 106 1,28 65 2,00 102 1,25 64 • Sensor de Temperatura
O sensor de temperatura esta instalado no módulo escravo para que ocorra a correção do cálculo do valor da tensão da água em relação a temperatura conforme observamos na equação 1.A Figura 3.21 ilustra a diferença entre as curvas com variação de temperatura, a
Figura 3.22 apresenta o esquemático do sensor de temperatura e a Figura 3.23 traz uma imagem do sensor.
Figura 3.21 Variação da leitura do sensor WATERMARK em relação a variação de temperatura: Fonte: WATERMARK SOIL MOISTURE SENSORS: Characteristics and Operating Instructions
Figura 3.22: Esquemático do sensor de temperatura.
Figura 3.23: Imagem do sensor NTC de temperatura.
• Fonte de Alimentação
A regulagem da tensão em 5V é feita por um regulador linear LM7805, que tem capacidade de fornecer até 1ª de corrente de saída, valor suficiente para suprir (com folga) a necessidade do circuito. A Figura 3.24 apresenta o esquemático da fonte de alimentação do módulo escravo.
Figura 3.24: Esquemático da fonte de alimentação.
3.4 MODOS DE OPERAÇÃO
Com o sistema em funcionamento, o usuário pode selecionar um entre os três modos de operação: manual, programado e automático, utilizando os botões disponíveis e visualizando a operação pelo visor de LCD.
• Modo Testar Setor
No modo de operação manual, o acionamento da bomba e a abertura das válvulas ocorrem sem a verificação do valor ideal para irrigação e por tempo indeterminado, sendo útil para realização de testes de operação e verificação de possíveis pontos de vazamentos.
No modo de operação programado, o usuário pode definir quais setores serão irrigados e definir o tempo em que o mesmo permanecerá acionado. Assim, cada setor será irrigado sequencialmente durante o período de tempo definido pelo usuário.
Erro! Indicador não definido.
No modo de operação automático, é possível realizar o controle de diversas culturas utilizando somente um módulo Mestre e os devidos módulos escravos para realizar as leituras nas respectivas culturas. Neste modelo de controle, o usuário define o valor da tensão da água no solo desejada como set-point para cada setor e o sistema fará os devidos acionamentos seguindo estes valores.
De acordo com o set-point inserido, o controle liga/desliga realiza o controle com uma histerese de 10 kPa5, acionando a irrigação de um setor quando a tensão da água no solo for 5 kPa acima do set-point e interrompendo quando for 5 kPa abaixo, conforme Figura 3.25.
Figura 3.25: Histerese do controle de irrigação.
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4 TESTES E RESULTADOS
Inicialmente, foram realizados testes em bancada para que fosse possível testar a lógica de operação de acionamento. Para realizar os testes de acionamento, o sistema foi instalado na Faculdade UCL, conforme mostrado na Figura 4.1.
Figura 4.1 Sistema montado
Os testes de operação foram realizados seguindo os modelos de acionamento descritos no item 3.4.
Através da seleção do modo manual no menu do módulo mestre, foi selecionado o setor 3 para acionamento. Após a confirmação de seleção do setor, a respectiva válvula solenóide foi energizada e, então, habilitada a partida da bomba. Este mesmo teste foi realizado nos outros 6 setores, confirmando assim a eficiência e funcionalidade deste modo de operação. Um vídeo que demonstra o funcionamento do módulo mestre foi disponibilizado (Suim, 2011).
• TESTE EM MODO TEMPORIZADO
Para realizar o teste de temporização dos setores, a resolução do tempo de rega foi aumentada de 10 min. para 1 min., fazendo com que o tempo de teste seja 10 vezes menor. Mesmo com a alteração da resolução, foi possível obter o resultado esperado, ou seja, o acionamento dos setores ocorreu de forma esperada, assim como o acionamento da bomba.
• TESTE EM MODO AUTOMÁTICO
Como os acionamentos já haviam sido testados em campo, comprovando seu funcionamento, os testes em modo automático foram realizados em bancada, substituindo os sensores por potenciômetros de 50 kΩ e o barramento de comunicação foi montado na protoboard conforme Figura 4.2, devido ao tempo de resposta do sensor ser elevado e o campo de instalação ser distante do laboratório de desenvolvimento. O tempo de aquisição de dados foi reduzido para um requerimento do módulo mestre a cada 1 minuto e a tensão de água determinada para teste foi gravada diretamente no módulo mestre. Ou seja, para fins de teste, o usuário não tem acesso para realizar a configuração da tensão de água supostamente necessária à cultura. Observando os testes em bancada, todo o sistema funcionou corretamente, ou seja, o setor e a bomba são acionados somente após a tensão da água alcançar níveis inferiores aos gravados no módulo mestre concluindo assim todo o processo de testes e funcionalidades com sucesso.
