Sistema de aquisição de dados agrometeorológicos utilizando estações de sensores sem fio

Texto

(1)UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO. Guilherme Frick de Oliveira. SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS AGROMETEOROLÓGICOS UTILIZANDO ESTAÇÕES DE SENSORES SEM FIO. Passo Fundo 2018.

(2) Guilherme Frick de Oliveira. SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS AGROMETEOROLÓGICOS UTILIZANDO ESTAÇÕES DE SENSORES SEM FIO. Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, sob orientação do professor Dr. Paulo Sérgio Corrêa Molina.. Passo Fundo 2018.

(3) Guilherme Frick de Oliveira. Sistema de aquisição de dados agrometeorológicos utilizando estações de sensores sem fio. Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, sob orientação do professor Dr. Paulo Sérgio Corrêa Molina.. Aprovado em ____ de ______________ de______.. BANCA EXAMINADORA. _______________________________________________________________ Prof. Dr. Paulo Sérgio Corrêa Molina - UPF. _______________________________________________________________ Prof. Dr. Adriano Luiz Toazza - UPF. _______________________________________________________________ Prof. Dr. Fernando Passold - UPF.

(4) Dedico a realização deste projeto aos meus pais Daniel e Maria por terem dedicados seus esforços do dia a dia para a realização deste sonho, e por todo o apoio incondicional que me deram durante o período que me dediquei ao curso de Engenharia Elétrica..

(5) AGRADECIMENTOS. A Deus pela graça, bondade, saúde, força para superar as dificuldades e por permitir que eu chegasse até aqui. Ao meu Pai Daniel, por todo o trabalho árduo que passaste para que eu pudesse estar realizando este sonho, assim como os seus conselhos e bons exemplos que me fazem sentir orgulho de lhe ter como pai. A minha Mãe Maria, pelo esforço incessante e toda a dedicação impagável que tivestes comigo. Agradeço também ao meu irmão Gabriel, por todo apoio e companheirismo. A minha namorada pela paciência e compreensão dedicação e companheirismo. A todos os meus familiares que sempre estiveram de alguma forma me apoiando. Ao amigo Vilson Vargas pela grande ajuda que me dera no início desta caminhada. A esta universidade, corpo docente deste curso, e a todos que oportunizaram adquirir conhecimento na área da Engenharia Elétrica. Ao Prof. Dr. Paulo Sérgio Corrêa Molina, pelo suporte, pelas correções e contribuições, para que este trabalho fosse concluído. E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha formação, o meu muito obrigado..

(6) “ Há apenas uma maneira de evitar críticas, não falar, não fazer e não ser nada” Aristóteles.

(7) RESUMO. A agrometeorologia permite ao homem ajustar as práticas agrícolas ao comportamento climático local. A disponibilidade de dados agrometeorológicos tem sua principal aplicação no planejamento e auxílio à tomada de decisão em uma propriedade rural, para que os recursos disponíveis possam ser otimizados. Com a grande disponibilidade de meios eletrônicos de detecção de estímulos físicos, processando e armazenando grandes volumes de dados, é possível aproveitar ao máximo os benefícios da agrometeorologia. Novas tecnologias de informação e comunicação, como redes de sensores sem fios (RSSFs), permitem a exploração de locais remotos e de difícil acesso. Nessa perspectiva, foi desenvolvido um sistema de monitoramento e registro de dados agrometeorológicos. O sistema proposto é capaz de coletar dados de dois terrenos diferentes através de duas estações equipadas com sensores que serão responsáveis pelo registro da umidade relativa do ar, temperatura do ar, umidade do solo, temperatura do solo em diferentes camadas, radiação solar global, precipitação, velocidade e direção do vento, pressão atmosférica e intensidade do molhamento foliar. Os sensores serão conectados a um microcontrolador que fará o registro e tratamento dos dados. Através de um dispositivo de comunicação sem fio conectado ao microcontrolador, será feita a transmissão dos dados para uma central de recebimento de dados. Essa, será composta por um módulo de comunicação sem fio e um Raspberry pi, no qual tem a função de rodar um código JavaScript através da plataforma NodeJs, em que realiza o processo automático de receber e salvar os dados em um banco de dados, além de servir uma página HTML que disponibilizará os dados ao usuário em forma de gráficos.. Palavras-Chave: agrometeorologia, RSSF, sistema de aquisição de dados, Raspberry pi, NodeJs..

(8) ABSTRACT. Agrometeorology allows man to adjust agricultural practices to local climatic behavior. The availability of agrometeorological data has its main application in the planning and aid to the decision making in a rural property, so that the available resources can be optimized. With the great availability of electronic means of detecting physical stimuli, processing and storing large volumes of data, it is possible to take full advantage of the benefits of agrometeorology. New information and communication technologies, such as wireless sensor networks (WSNs), allow the exploration of remote and difficult to reach places. From this perspective, it is proposed to develop a system for the monitoring and recording of agrometeorological data. The proposed system will be able to collect data from two different terrains through two stations equipped with sensors that will be responsible for recording relative air humidity, air temperature, soil moisture, soil temperature in different layers, global solar radiation, precipitation , wind speed and direction, and duration of leaf wetting. The sensors will be connected to a microcontroller that will record and perform the data. A wireless communication module connected to the microcontroller will transmit data to a data center. This will be done through a wireless communication module and a Raspberry pi, can not have a function of a JavaScript code through the NodeJs platform, which performs the automatic process of receiving and saving the data in a database, in addition to to serve an HTML page that provides the data to the user in the form of graphics.. Keywords: agrometeorology, data acquisition system, wireless sensor networks, Raspberrypi, NodeJs..

(9) LISTA DE ILUSTRAÇÕES. Figura 2. 1: Interação dos elementos climáticos com doenças de plantas................................ 19 Figura 2. 2: Esquema dos elementos e fatores do clima........................................................... 21 Figura 2. 3: Espectro eletromagnético...................................................................................... 22 Figura 2. 4: Reflexão, absorção e transmissão de um corpo.....................................................25 Figura 2. 5: Espectro da intensidade da radiação solar............................................................. 26 Figura 2. 6: Balanço de radiação.................................................................................................. Figura 2. 7: (a) Piranômetro de termopar, modelo Eppley, (b),Piranômetro de fotodiodo de silício................................................................................................................................. 29 Figura 2. 8: Processo diário de condução de aquecimento (a) e resfriamento (b) do solo, sendo Z a profundidade e t a temperatura de cada camada........................................................ 30 Figura 2. 9 (a) Esquema de instalação do geotermômetro de bulbo, (b) bateria de geotermômetros................................................................................................................ 32 Figura 2. 10:Sondas Drill e Drop Pessl Instruments instaladas no solo................................... 32 Figura 2. 11: Forma padrão de medição de temperatura do ar no abrigo meteorológico durante o dia (a) e noite (b)............................................................................................................ 34 Figura 2. 12::Abrigo meteorológico para sensores eletrônicos de temperatura e umidade...... 34 Figura 2. 13: Representação esquemática do funcionamento de um sensor capacitivo de umidade relativa do ar....................................................................................................... 38 Figura 2. 14: Esboço do sensor de molhamento tipo “pente”.................................................. 39 Figura 2. 15: Representação da espessura de camada de água................................................. 42 Figura 2. 16:a) pluviômetro convencional. b) pluviômetro eletrônico de báscula. 42. Figura 2. 17:Funcionamento do pluviômetro de báscula.......................................................... 43 Figura 2. 18: a) Anemômetro eletrônico b) Biruta c) Indicador de direção de vento............... 44 Figura 2. 19: Mapa de rede de estações meteorológicas da INMET........................................ 48 Figura 2. 20:Diferentes topologias de uma rede ZigBee.......................................................... 53 Figura 2. 21:Camadas de protocolo do sistema ZigBee........................................................... 53 Gráfico 2. 1: Irradiância solar média diária sob as diferentes coberturas de nuvem. ............... 27 Gráfico 2. 2: Tautócronas de um solo coberto de vegetação .................................................... 31 Figura 3. 1: Diagrama de contexto do protótipo...................................................................... 60.

(10) Figura 3. 2: Pluviômetro de báscula ......................................................................................... 63 Figura 3. 3 : Circuito para a entrada do pluviômetro................................................................ 64 Figura 3. 4: Anemômetro eletrônico de caneca ........................................................................ 64 Figura 3. 5: Indicador de direção do vento e circuito interno................................................... 65 Figura 3. 6: Circuito de ligação do indicador de direção do vento ao microcontrolador. ........ 66 Figura 3. 7: a) Corpo interno do sensor, b) corpo externo do sensor. ...................................... 68 Figura 3. 8: Esquemático do piranômetro da Davis Instruments. ............................................ 68 Figura 3. 9: Sensor digital de temperatura e umidade relativa do ar HTU21D. ....................... 69 Figura 3. 10: Componentes do sensor de temperatura DS18B20. ............................................ 70 Figura 3. 11: Diagrama de blocos da estrutura interna do sensor............................................. 71 Figura 3. 12: Sonda de medição de temperatura de solo construída ....................................... 72 .Figura 3. 13: Sonda de medição de temperatura ..................................................................... 72 Figura 3. 14: Sensor de molhamento foliar e módulo .............................................................. 73 Figura 3. 15: Sensor de pressão atmosférica MPX4115A. ....................................................... 75 Figura 3. 16: Esquema de ligação do sensor de pressão atmosférica ....................................... 76 Figura 3. 17: Módulo Xbee S3B 900HP. o item 1 mostra o modelo do XBee que é o XBP24BZ7, o item 2 mostra o endereço individual do módulo que é 0013A200 4066BAD9. ....................................................................................................................... 76 Figura 3. 18: Fluxograma do modo transmissão do módulo XBee .......................................... 78 Figura 3. 19: Xbee Explorer USB Adapter .............................................................................. 79 Figura 3. 20: Software X-CTU. ................................................................................................ 79 Figura 3. 21: Antena utilizada na Estação meteorológica principal (Em1) .............................. 80 Figura 3. 22: Antena utilizada na central de recebimento de dados. ........................................ 80 Figura 3. 23: Módulo leitor de cartão micro sd. ....................................................................... 81 Figura 3. 24: Circuito de funcionamento do RTC DS1307. ..................................................... 82 Figura 3. 25 : LaunchPad Tiva C TM4C123GXL .................................................................... 84 Figura 3. 26: Esquemático do sistema de alimentação do protótipo. ....................................... 85 Figura 3. 27: Diagrama de blocos do sistema BMS. ................................................................ 87 Figura 3. 28: Circuito de gerenciamento de energia:................................................................ 88 Figura 3. 29: Diagrama de blocos do hardware da estação meteorológica .............................. 90 Figura 3. 30: Placa de circuito impresso do Datalogger. .......................................................... 91 Figura 3. 31: Estação meteorológica 1 com todo os instrumentos de medição. ....................... 92 Figura 3. 32: Estação meteorológica 2. .................................................................................... 93 Figura 3. 33: Diagrama de blocos da central de recebimento de dados ................................... 94.

(11) Figura 3. 34: Estrutura montada na central de recebimento de dados ...................................... 95 Figura 3. 35: Fluxograma do Firmware desenvolvido para o pluviômetro de báscula. ........... 96 Figura 3. 36: Fluxograma do firmware desenvolvido para o funcionamento do anemômetro. 97 Figura 3. 37: Fluxograma do firmware desenvolvido para o Indicador eletrônico de direção do vento ................................................................................................................................. 98 Figura 3. 38: Fluxograma do firmware para o funcionamento do pirômetro. .......................... 99 Figura 3. 39: Inicialização do Htu21D ..................................................................................... 99 Figura 3. 40: Processo de leitura de temperatura e umidade no Htu21D. .............................. 100 Figura 3. 41: Fluxograma do firmware para o funcionamento do sensor de molhamento. .... 101 Figura 3. 42: Fluxograma de firmware para o MPX4115A ................................................... 102 Figura 3. 43: Mapa da memória de registro do RTC DS1307. ............................................... 102 Figura 3. 44 : Processo de inicialização escrita e leitura de dados do RTCDS1307 .............. 103 Figura 3. 45: Fluxograma do firmware principal ................................................................... 105 Figura 3. 46: Acessando solicitando o acesso a página HTML da aplicação ao servido na porta 4444 ................................................................................................................................ 107 Figura 3. 47: Protocolo de comunicação estabelecido entre as duas estações e a central de recebimento. ................................................................................................................... 108 Figura 3. 48: Formato da string de dados que é recebida no formato JSON pelo Raspberry PI. ........................................................................................................................................ 108 Figura 3. 49: Formato de como os documentos são gravados no banco de dados ................. 109 Figura 3. 50: Fluxograma do código JavaScript que roda no ambiente de servidor NodeJs.. 110 Figura 3. 51: Diretório com os arquivos necessários para rodar o servidor. .......................... 111 Figura 3. 52: Instalação das bibliotecas no sistema operacional do Raspberry pi.................. 112 Figura 3. 53: Servidor em funcionamento no Raspberry pi ................................................... 112 Figura 3. 54: Interface gráfica com o usuário ......................................................................... 113. Figura 4. 1: Locais de instalação dos componentes do sistema ............................................. 114 Figura 4. 2: Experimento realizado com a sonda de medição de temperatura enterrada no solo ........................................................................................................................................ 119 Figura 4. 3: Datalogger da estação meteorológica do laboratório Anemométrico ................. 120.

(12) LISTA DE QUADROS. Quadro 2. 1: Indicação de velocidade do vento para pulverização.......................................... 20 Quadro 2. 2:Potência da radiação solar que atinge a Terra, nas diferentes faixas do espectro.26. Quadro 3. 1: Especificações do pluviômetro de báscula .......................................................... 63 Quadro 3. 2: Especificações do anemômetro. .......................................................................... 65 Quadro 3. 3: Quadro de identificação dos resistores, tensões de saída do instrumento e suas respectivas direções. ......................................................................................................... 66 Quadro 3. 4: Especificações do Piranômetro Vantage Pro 6450 da Davis Instruments........... 67 Quadro 3. 5: Especificações do sensor HTU21D. .................................................................... 69 Quadro 3. 6: Especificações técnicas do sensor de pressão atmosférica MPX4115A. ............ 75 Quadro 3. 7: Especificações técnicas do Xbee Pro SB3 900HP .............................................. 77 Quadro 3. 8: Requisitos mínimos para escolha do microcontrolador....................................... 83 Quadro 3. 9:Especificações do TM4C123GH6PM .................................................................. 84 Quadro 3. 10: Características do painel solar KMP5 da KOMAES. ........................................ 86 Quadro 3. 11: Características do módulo BMS HX-3S-FL10-A ............................................. 88 Quadro 3. 12: Características do módulo conversor DC-DC Buck com LM2596. .................. 89. Quadro 4. 1: Relatório dos dados de temperatura umidade e pressão atm coletados pela Em1 no dia 20/11/2018 ........................................................................................................... 115 Quadro 4. 2: Relatório dos dados coletados de Raciação solar global, chuva, velocidade e direção do vento no dia 20/11/2018 ............................................................................... 116 Quadro 4. 3: Chuva acumulada no dia 28/11/2018 ................................................................ 120 Quadro 4. 4: Comparação dos valores médios de temperatura, umidade, pressão atm e radiação solar medidos pela estação meteorológica contruída (méd), e a estação meteorológica do laboratório anemométrico (méd Anem). ........................................... 121.

(13) LISTA DE ABREVIATURAS. UV– Ultra violeta UV-A – Radiação Ultra violeta tipo A UV-B – Radiação Ultra violeta tipo B UV-C – Radiação Ultra violeta tipo C IV – Radiação Infra-vermelha Ii – Radiação incidente Ia – Radiação absorvida Ir – Radiação refletida It – Radiação transmitida RL –Radiação líquida Boc – Balanço de ondas curtas Bolc– Balanço de ondas longas Qg – Radiação solar global Qd – Radiação solar direta Qc – Radiação solar difusa rQg – Radiação solar global refletida Qol – Balanço de radiação solar das ondas curtas Qoc – Balanço de radiação solar das ondas longas Qcr – Contra radiação Qs – Radiação solar emitida pela Terra Q – Saldo de radiação solar Kc – Constante de calibração Patm – Pressão atmosférica ݁௔ – Pressão absoluta de vapor d’água ݁௦ – Pressão de saturação de vapor d’água kPa – Quilo Pascal P – Pressão de um gás UA – Umidade absoluta US – Umidade de saturação UR% – Umidade relativa TPO – Temperatura de ponto de orvalho DPM – Duração do período de molhamento.

(14) Uv – Umidade volumétrica do solo TDR – Reflectometria no domínio do tempo Cc – Capacidade de campo Pm – Ponto de murchamento RSSF – Rede de sensores sem fio. IEEE – Intitute Eletrical na Eletronic Enginer ISM – Institure Scientific and Medical O-QPSK – Offset quadrature phase shift keying BPSK – Binary phase shift keying PHY – Physical MAC – Media Access Control CSMA-CA – Carrier Sense Multiple Acess-Colision Avoidance NWK – Network APL – Aplication TCP – Transmission Control Protocol IP– Internet Protocol HTTP – Hiper Text Transfer Protocol PHP – Hypertext PreProcessor Ec1 – Estação coletora 1 Ec2 – Estação coletora 2 Eco – Estação coordenadora RTC – Real time clock.

(15) LISTA DE SÍMBOLOS. λ – Comprimento de onda f – Frequência de oscilação v – Velocidade E – Energia transmitida Em – Fator de emissividae Ϭ – Constante de Boltrzman Cal – caloria °K– graus Kelvin °C – graus Celcius W – Watt mV – milivolt R – Resistência elétrica ߩ – Fator de resistividade Ω – Ohm ߙ௥ᇱ – Constante de proporcionalidade resistiva.

(16) SUMÁRIO. 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 13 1.1 CONTEXTO....................................................................................................................... 13 1.2 OBJETIVO GERAL ........................................................................................................... 14 1.3 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................................. 14 1.4 JUSTIFICATIVA ............................................................................................................... 15 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................................... 16 2 REVISÃO DA LITERATURA .......................................................................................... 17 2.1 AGROMETEOROLOGIA ................................................................................................. 17 2.1.1 Benefícios das Informações Agrometeorológicas ....................................................... 18 2.1.2 Tempo e Clima ............................................................................................................... 21 2.1.3 Fatores e elementos climáticos/ meteorológicos .......................................................... 21 2.1.4 Radiação Solar ............................................................................................................... 22 2.1.4.1 Espectro eletromagnético ............................................................................................. 22 2.1.4.2 Corpo Negro ................................................................................................................. 23 2.1.4.3 Fluxo de radiação que atinge um corpo ....................................................................... 24 2.1.4.4 Intensidade da Radiação Solar .................................................................................... 25 2.1.4.5 Balanço de Radiação Solar na superfície terrestre ..................................................... 27 2.1.4.6 Equipamentos de medição da radiação solar .............................................................. 29 2.1.5 Temperatura do solo ..................................................................................................... 30 2.1.5.1 Equipamentos de medição da temperatura do solo ..................................................... 31 2.1.6 Temperatura do ar ........................................................................................................ 33 2.1.6.1 Medição da temperatura do ar ..................................................................................... 33 2.1.7 Umidade do ar................................................................................................................ 35 2.1.7.1 Umidade Relativa ......................................................................................................... 35 2.1.7.2 Medição da Umidade relativa do ar............................................................................. 37.

(17) 2.1.8 Orvalho ........................................................................................................................... 38 2.1.8.1 Sensor de molhamento foliar ........................................................................................ 39 2.1.9 Precipitação pluvial ....................................................................................................... 41 2.1.9.1 Medição da precipitação .............................................................................................. 41 2.1.9.2 Equipamentos de medição ............................................................................................ 42 2.1.10 Vento ............................................................................................................................. 43 2.1.10.1 Medição do vento........................................................................................................ 44 2.1.10.2 Equipamentos de medição .......................................................................................... 44 2.1.10.3 Variações da velocidade do vento .............................................................................. 45 2.1.11 Estações meteorológicas .............................................................................................. 45 2.1.11.1 Classificação das estações meteorológicas................................................................ 45 2.1.11.2 Localização e instalação de estações meteorológicas ............................................... 47 2.1.11.3 Padrão de instalação dos sensores e instrumentos .................................................... 47 2.1.11.4 Rede de estações meteorológicas no Brasil ............................................................... 48 2.2 TECNOLOGIA SEM FIO, SERVIÇOS WEB E BANCO DE DADOS ........................... 49 2.2.1 Tecnologias sem fio ........................................................................................................ 49 2.2.2 Protocolo ZigBee ............................................................................................................ 51 2.2.3 Detalhes técnicos do ZigBee .......................................................................................... 51 2.2.4 Característica de uma rede Zigbee .............................................................................. 52 2.2.5 Arquitetura do protocolo ZigBee IEE 802.15.4 .......................................................... 53 2.2.6 Desenvolvimento Web ................................................................................................... 55 2.2.7 Servidor Web ................................................................................................................. 55 2.2.8 Servidor Node.js ............................................................................................................ 56 2.2.9 Porque o Node.js ............................................................................................................ 57 2.2.10 Desenvolvimento de aplicações web com Node.js ..................................................... 57 3 . DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ......................................................................... 59 3.1 ESPECIFICAÇÕES INICIAIS DO PROJETO.................................................................. 59.

(18) 3.2 HARDWARE ..................................................................................................................... 62 3.2.1 Sensores e instrumentos ................................................................................................ 62 3.2.1.1 Pluviômetro .................................................................................................................. 62 3.2.1.2 Anemômetro .................................................................................................................. 64 3.2.1.3 Indicador de direção de vento ...................................................................................... 65 3.2.1.4 Piranômetro .................................................................................................................. 67 3.2.1.5 Sensor de Temperatura e Umidade Relativa do Ar ...................................................... 68 3.2.1.6 Sensor de Temperatura de Solo .................................................................................... 70 3.2.1.6 Sensor de molhamento foliar ........................................................................................ 73 3.2.1.7 Sensor de pressão atmosférica ..................................................................................... 74 3.2.3 Módulo de comunicação Xbee ...................................................................................... 76 3.2.3.1 Modo transmissão ........................................................................................................ 77 3.2.3.2 Modo recepção ............................................................................................................. 78 3.2.3.3 Xbee Explorer USB Adapter ......................................................................................... 78 3.2.3.4 Configuração da rede Zigbee ....................................................................................... 79 3.2.3.5 Antenas utilizadas ......................................................................................................... 80 3.2.4 Cartão de memória ........................................................................................................ 81 3.2.5 RTC (Real Time Clock).................................................................................................. 81 3.2.6 Microcontrolador........................................................................................................... 82 3.2.7 Alimentação .................................................................................................................... 85 3.2.7.1 Painéis fotovoltaicos..................................................................................................... 86 3.2.7.2 Pack de baterias e gerenciador de carga/descarga. .................................................... 86 3.2.7.3 Gerenciamento de energia. .......................................................................................... 88 3.2.8 Hardware completo da estação meteorológica ........................................................... 89 3.2.9 Prototipagem .................................................................................................................. 90 3.2.10 Estrutura mecânica ..................................................................................................... 91 3.2.11 Central de Recebimento de dados .............................................................................. 93.

(19) 3.3 FIRMWARE....................................................................................................................... 95 3.3.3 Firmware para o Pluviômetro ...................................................................................... 95 3.3.4 Firmware do Anemômetro ........................................................................................... 96 3.3.5 Firmware do Indicador de direção de vento ............................................................... 97 3.3.6 Firmware do piranômetro ............................................................................................ 98 3.3.7 Firmware do sensor de temperatura e umidade relativa do ar ................................. 99 3.3.8 Firmware do sensor de molhamento foliar ............................................................... 100 3.3.9 Firmware do sensor de pressão atmosférica MPX4115A ....................................... 101 3.3.10 Firmware do RTC ..................................................................................................... 102 3.3.11 Firmware do módulo Xbee ....................................................................................... 104 3.4 SOFTWARE..................................................................................................................... 105 3.4.3 Descrição do código desenvolvido .............................................................................. 106 3.4.4 Desenvolvimento da interface gráfica em HTML .................................................... 111 3.4.5 Configuração servidor no sistema operacional do Raspberry pi ............................ 111 3.4.5.1 Instalação das bibliotecas .......................................................................................... 111 3.4.1 Modo de operação do sistema ..................................................................................... 112 4 . RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................. 114 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................ 124 REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 125.

(20) 13. 1 INTRODUÇÃO. 1.1 CONTEXTO. A meteorologia é a ciência que estuda o comportamento dos elementos atmosféricos relativos ao tempo, a partir de observações instrumentais. A climatologia proporciona o conhecimento estatístico dos resultados obtidos. A agrometeorologia é um segmento da meteorologia em que é estudada a influência das condições atmosféricas sobre o ambiente rural. De acordo com Smith (1975), a meteorologia agrícola, tem por objetivo colocar a ciência da meteorologia à serviço da Agricultura em todas as suas formas e facetas, para melhorar o uso da terra, produzir o máximo de alimentos, e reduzir o uso abusivo dos recursos naturais. Em suma, a principal aplicação das informações agrometeorológicas, estão ligadas ao planejamento e tomada de decisões sobre as atividades que são desenvolvidas no ambiente de cultivo de plantas. Como a atmosfera, por si só, é considerada como um sistema dinâmico em constante movimentação, para o seu estudo, bem como sua descrição e análise, necessita-se do monitoramento contínuo das diversas variáveis. Devido a este fato e as numerosas aplicações, os sistemas automáticos de aquisição de dados tornam-se indispensáveis neste ramo da ciência. Para os diversos propósitos que necessitam de medidas acuradas e precisas, o emprego de sensores, transdutores e outros instrumentos com capacidade de transformar grandezas físicas em sinais elétricos mensuráveis, são na sua maioria muito confiáveis desde que as suas características estáticas de desempenho contribuam para que seja possível obter o valor da medição, muito próximo do valor real da variável atmosférica em estudo. A partir da década de 90, começou-se a desenvolver os sistemas de aquisição com capacidade de coletar, processar e armazenar grandes volumes de dados com um custo relativamente baixo, permitiu que o alcance da pesquisa agrometeorológica fosse expandido e a melhora dos resultados obtido. Principalmente para este fim, se faz necessário o monitoramento contínuo das variáveis ambientais com uma frequência de medida de certa forma elevada. Este fato inviabiliza qualquer outra forma de aquisição se não for realizada de maneira automática. (BÍSCARO,2007). Em uma propriedade rural podem existir diferentes parcelas de terreno, nas quais cada uma, cria situações de clima diferentes, os quais são chamados microclimas. De acordo com.

(21) 14. Pereira, Angelocci e Sentelhas (2007) cada microclima afeta de uma maneira diferente a produção. Sob esta problemática, o presente trabalho traz como proposta o desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados agrometeorológicos, composto por uma rede de estações meteorológicas onde serão instaladas em diferentes áreas, possibilitando um sistema versátil de monitoramento e aquisição de dados dos ambientes, congregado a isso, utilização da tecnologia sem fio nas estações permite que sejam explorados lugares remotos e de difícil acesso. Devido a potencial utilização deste sistema no auxílio à tomada de decisões no ambiente agrícola, foi incorporado ao sistema, um serviço de banco de dados e um servidor para a aplicação desenvolvida a qual exibe os dados de maneira dinâmica. Portanto é necessário para o desenvolvimento deste projeto, a compreensão efetiva das variáveis as quais serão monitoradas, na qual inclui o conhecimento dos conceitos, técnicas, métodos, e os equipamentos utilizados para que variável seja mensurada. Como embasamento teórico, inicialmente será realizado um estudo acerca de cada elemento a ser monitorado, a composição básica de um sistema de aquisição de dados e as características de desempenho de sensores e instrumentos, e por fim um estudo sobre as tecnologias de comunicação que farão com que o usuário tenha acesso às informações. Nas seções seguintes, os objetivos gerais e específicos são apresentados para o melhor entendimento deste Trabalho de Conclusão de Curso.. 1.2 OBJETIVO GERAL. O objetivo central deste trabalho é desenvolver um sistema que realize o monitoramento e coleta de informações agrometeorológicas, faça o armazenamento das informações em banco de dados e disponibilize as informações através de uma página HTML(Hipertext Markup Language) em forma de gráficos.. 1.3 OBJETIVOS ESPECIFICOS. Para que este objetivo principal seja cumprido, foram definidos como objetivos específicos:.

(22) 15. x. Contextualizar teoricamente assuntos como os elementos meteorológicos, suas técnicas. métodos e equipamentos de medição, bem como os benefícios das informações agrometeorologicas para a atividade agrícola. x. Desenvolver o protótipo para as estações meteorológicas.. x. Desenvolver a estação de recebimento de dados (banco de dados e servidor).. x. Desenvolver uma aplicação HTML para o monitoramento dos dados coletados pelas. estações meteorológicas gravados no banco de dados.. 1.4 JUSTIFICATIVA. As variáveis meteorológicas influenciam diretamente na produtividade de uma plantação. Com as estações meteorológicas é possível mensurar diversos fatores que influenciam no gerenciamento das atividades na fazenda; como a direção predominante dos ventos, a precipitação acumulada durante a safra, a temperatura média de ar e solo dentro de um determinado período, a duração do período de molhamento das folhas entre outros. Monitorar essas variáveis é de suma importância para uma melhor tomada de decisão no campo e o registro a longo prazo dessas variáveis proporciona um suporte para que o planejamento agrícola seja mais eficaz. Uma de muitas utilidades que um sistema de estação meteorológica fornece é realizar o manejo de irrigação, pois através dos dados registrados é possível quantificar as principais formas de entradas e saída de água para as plantas. A precipitação pluvial atua como o suprimento de água para o cultivo, já a evapotranspiração atua como a perda de água pela plantação. Motivos como esses e outros que serão abordados nos capítulos seguintes, as informações geradas pelas estações meteorológicas torna-se fundamentais para o sucesso agrícola..

(23) 16. 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO. O segundo Capítulo encontrasse dividido em dois subcapítulos: O primeiro refere-se ao levantamento bibliográfico acerca da agrometeorologia, os benefícios que as informações agrometeorológicas proporcionam e o estudo das variáveis as quais serão monitoradas e uma abordagem sobre estações meteorológicas. No segundo subcapítulo é tratado sobre as tecnologias de transmissão de dados sem fio, no qual foi realizado uma breve comparação de três tecnologias sem fio, tendo como o objetivo de detalhamento o padrão ZigBee. Em seguida serão tratados os temas referentes a desenvolvimento web, servidores, e em especial sobre a plataforma de servidor NodeJs. No terceiro Capítulo encontrasse todo desenvolvimento detalhado do projeto. Serão apresentadas as soluções de acordo com o que foi proposto neste trabalho. Este também se encontra dividido em 4 subcapítulos sendo o primeiro direcionado as especificações iniciais e contextualização de projeto. O segundo inicia-se pela descrição de todos os sensores instrumentos utilizados para compor as estações meteorológicas, e segue pelo detalhamento do projeto em termos de hardware, firmware e software. No Quarto capítulo, encontram-se os resultados obtidos com a solução desenvolvida para cumprir o objetivo do projeto. São encontrados quadros e gráficos com os dados adquiridos pelo sistema, e posteriormente uma breve comparação com os dados fornecidos por uma estação meteorológica profissional. O Quinto capítulo será utilizado para as considerações e a avaliações sobre o a execução deste projeto..

(24) 17. 2 REVISÃO DA LITERATURA. Neste capítulo serão abordados assuntos relevantes que serviram de base para a construção da ideia deste projeto, de forma a contextualizar temas que serão tratados até a conclusão efetiva do mesmo. Tornou-se necessário o estudo de cada variável que será monitorada, conhecendo as suas características, e métodos se realizar sua medição, além contextualizar sobre as estações meteorológicas, trazendo a conhecimento as suas classificações, as redes de estações existentes no Brasil. Por fim é tratado assunto sobre as tecnologias sem fio, e desenvolvimento de serviços web.. 2.1 AGROMETEOROLOGIA. Como bem asseguram Pereira, Angelocci e Sentelhas (2007), pode-se dizer que a meteorologia é o ramo da ciência que estuda os fenômenos atmosféricos. O seu campo de estudo está atrelado as condições da atmosfera terrestre em dado instante, em outras palavras, o estudo do tempo. Entende-se, no entanto que tais condições, resultam da movimentação atmosférica originada pela variação espacial das forças atuantes na massa de ar. Neste contexto, a descrição estatística das movimentações atmosféricas, em valores médios sequenciais constituem o clima, logo climatologia é a ciência que estuda o clima. A metodologia de estudo do meteorologista, está ligada a aplicação das leis da física clássica e o emprego de modelagens matemáticas ao estudo dos fenômenos atmosféricos. Em contraste o climatologista aplica as técnicas de análise estatística para construir informações a respeito do clima (VIEIRA; PICULLI, 2009). Em poucas palavras pode se dizer que, a meteorologia trabalha com valores instantâneos, enquanto que a climatologia trabalha com valores médios. De acordo com Vieira e Piculli (2009), a agrometeorologia é considerada como o estudo das condições atmosféricas e suas consequências no ambiente rural. Visto que a maioria dos agricultores possuem maior conhecimento quanto ao manejo do solo do que explorar por completo os recursos climáticos. Freitas (2005, p.01) coloca que, “embora o homem não seja capaz de mudar o tempo e o clima, ele é capaz de ajustar as práticas agrícolas”..

(25) 18. 2.1.1 Benefícios das Informações Agrometeorológicas. A agrometeorologia é fundamental para o planejamento e tomada de decisões quanto as práticas agrícolas, nas quais podem ser destacadas: x. Manejo do solo:. As práticas de manejo do solo como aração e a gradação requerem um nível crítico de teor de umidade para que os procedimentos possam ser feitos de maneira eficiente sem que cause danos irreversíveis ao solo como por exemplo: a realização destas atividades sob condições de umidade do solo muito baixa pode causar a erosão do mesmo. Já se o solo estiver com excesso de umidade as mesmas podem levar o solo a compactação (PEREIRA; ANGELOCCI; SENTELHAS, 2007). Para solucionar este problema é realizado um balaço hídrico, onde são quantificadas as formas de entrada de água no solo através das chuvas e irrigação, e as formas de saída através da evapotranspiração (taxa de perda de água do solo por meio da evaporação mais a transpiração das plantas). Para determinar estes parâmetros é analisado todo o comportamento do regime pluviométrico, umidade do solo, fluxos de calor no solo, radiação solar incidente sobre a superfície, temperatura do ar, velocidade do vento, entre outros aspectos provocados pela ação dinâmica da atmosfera (BÍSCARO, 2007). x. Semeadura. O período de semeadura dos cultivos anuais depende da quantidade de água que o solo dispõe, de modo que se houver pouca disponibilidade a germinação das sementes será prejudicada. O nível de armazenamento de água do solo pode ser estimado também pelo balanço hídrico do solo o qual pode indicar se o momento está favorável para realizar a semeadura (PEREIRA; ANGELOCCI; SENTELHAS, 2007). x. Irrigação. Em áreas onde o é clima árido é imprescindível o uso de irrigação devido à escassez de chuvas relacionada à demanda hídrica das culturas, bem como nos lugares onde a sazonalidade e o regime pluviométrico impossibilitam a produção agrícola em determinadas épocas do ano. Todavia, a quantidade de água necessária para suprir a demanda deve ser aplicada no momento.

(26) 19. adequado visando o melhor aproveitamento dos recursos naturais e energéticos para tenha como o resultado a maximização da produção. As técnicas que permitem o conhecimento da demanda hídrica de uma cultura e a quantificação da disponibilidade de água no solo, são baseadas em dados climáticos. Desta maneira servem de auxílio na tomada de decisão de quando irrigar e o quanto irrigar (PEREIRA; ANGELOCCI; SENTELHAS, 2007). x. Previsão de doenças. Existem pragas e doenças que somente se desenvolvem sob condições climáticas que às sejam favoráveis. Se por ventura tais condições não estejam de acordo, pode haver uma possibilidade do uso de defensivos agrícolas se tornar desnecessário, implicando na redução do custo de produção, e os impactos negativos ao homem e ao ambiente. Já nos casos onde a favorabilidade do clima estiver satisfeita para o desenvolvimento da doença, aconselha-se então realizar a aplicação do defensivo (REIS e BRESOLIN, 2004). Conforme salienta Bedendo (1995), o aparecimento e o desenvolvimento de uma doença é resultante da interação entre uma planta suscetível, um agente patogênico e fatores ambientais favoráveis. O ambiente, portanto, é o mais componente relevante nesta interação. Esta interação e a interdependência é representada a esquerda na Figura (2.1) pelo triângulo dos fatores determinantes de doença, a direita pode-se observar a influência dos elementos climáticos nas fases do desenvolvimento de uma doença causada por fungos. Neste caso as informações acerca do clima são utilizadas para alertar ou prever o acontecimento de uma doença a partir de modelos de previsão desenvolvidos por estudiosos do ramo da fitopatologia e epidemiologia.. Figura 2. 1: Interação dos elementos climáticos com doenças de plantas.. Fonte: Reis e Bresolin (2004)..

(27) 20. Quando o controle a base de produtos químicos é necessário, normalmente é feito via pulverização, deste modo é necessário consultar a possibilidade de acontecer precipitação pluvial, pois a chuva provocará a lavagem do produto aplicado sobre as folhas implicando na baixa eficiência no controle além de provocar a contaminação do solo e mananciais de água. Oliveira et al. (2014), enfatiza que se deve se levar em questão a temperatura, umidade relativa e a velocidade do vento, de modo que se deva evitar a pulverização dentro das faixas de umidade relativa inferiores a 50% e também acima de 30°C de temperatura, como também pode ser observado no Quadro (2.1), a indicação das velocidade do vento ideais para realizar a aplicação.. Quadro 2. 1: Indicação de velocidade do vento para pulverização.. Velocidade do Vento (km/h) Menos de 2 3,2 a 6,5 9,6 a 15,5. Descrição. Sinais Visíveis. Aplicação. Vento Calmo Brisa Vento moderado. Fumaça sobe verticalmente As folhas oscilam Movimento dos galhos e presença de poeira. Não recomendável Ideal para aplicação Impróprio para aplicação. Fonte: Adaptado de Oliveira et al. (2006). x. Colheita. A colheita da maioria dos produtos agrícolas é influenciada pelas condições de tempo, pois dele depende a umidade do produto a ser colhido, especialmente no caso dos grãos colhidos mecanicamente. As condições do tempo e hídricas do solo também afetam a trafegabilidade das máquinas no campo, podendo causar compactação do solo em caso dessa atividade ser realizada sob condições de excedente hídrico. Com o balanço hídrico e a previsão do tempo é possível determinar se as condições são adequadas à realização eficiente e segura dessa atividade (PEREIRA; ANGELOCCI; SENTELHAS, 2007).. Ora em tese, desde a semeadura até a colheita de uma cultivar, o manejo da cultura (aplicação de defensivos, irrigações, movimento de máquinas agrícolas etc.) são conduzidos de acordo com as condições ambientais. Conforme verificado, a tomada de decisões e o planejamento das operações cotidianas no meio agrícola, dependem do conhecimento das condições meteorológicas prevalecentes. O acompanhamento frequente dessas condições e a utilização de ferramentas como sistemas de previsão de doenças, contribuem para a operacionalização das atividades agrícolas. Sendo esta forma de conduzir todo o processo de.

(28) 21. produção, o mais eficiente no que se diz a um bom desempenho econômico e redução dos impactos agroambientais devido a exploração desenfreada de recursos naturais e uso excessivo de produtos químicos.. 2.1.2 Tempo e Clima. Em meteorologia há uma diferenciação entre o tempo e o clima. O tempo é o estado atual da atmosfera de um lugar em um dado instante, ou o “estado da atmosfera com relação aos seus efeitos sobre a vida e a atividade humana”(VIEIRA; PICULLI, 2009, p. 03). Por exemplo: em um mesmo dia pode fazer vários tipos de tempo como chover, ventar e esfriar. O tempo é caracterizado pelas condições de temperatura, pressão, concentração de vapor, velocidade e direção do vento e precipitação. Já o clima é denominado como o conjunto de fenômenos atmosféricos também ditos meteorológicos que ocorreram em um determinado local e período de tempo. Não só como também é conhecido como é descrito como a expressão média das condições atmosféricas deste local. O ritmo das variações do regimes, pluviométrico, temperatura, umidade do ar, direção dos ventos, etc.., caracterizam o clima de uma região (PEREIRA; ANGELOCCI; SENTELHAS, 2007).. 2.1.3 Fatores e elementos climáticos/ meteorológicos. Elementos são grandezas (variáveis) meteorológicas que caracterizam o meio atmosférico. A variação espaço-temporal dos elementos são influenciados pelos Fatores climáticos (FIORIN; ROSS, 2015). O conjunto dos elementos climáticos com os fatores constituem o clima, como representado na Figura (2.2).. Figura 2. 2: Esquema dos elementos e fatores do clima.. Clima Elementos (dão origem): -Temperatura -Radiação solar -Vento -Umidade do ar -Precipitações -Pressão atmosférica -Evapotranspiração Fonte: Adaptado de Fiorin e Ross (2015).. Fatores (responsáveis pelas modificações): -Latitude -Altitude -Relevo -Continentalidade e maritimidade -Circulação atmosférica e massas de ar.

(29) 22. Conforme Mendonça & Dani-Oliveira (2007), o clima é classificado na sua escala de estudo de acordo com as suas dimensões espaço-temporais. Sendo elas subdivididas em macroclimáticas, mesoclimáticas e microclimáticas: x. Macroclima: é o clima ou condições prevalecentes que ocorrem em uma extensão de. 50-1000 km e é característico de uma região global, ou seja, é relativo a latitude, altitude, relevo, continentalidade/maritimidade. x. Mesoclima: ocorre numa extensão de 100 m a 100 km e é característico de uma. paisagem específica ou padrão orográfico como por exemplo: florestas, desertos, pampa gaúcho. x. Microclima: ocorre numa extensão de 1mm a 300 m, mas, geralmente, é concernente. com a situação meteorológica sobre uma lavoura, ou qualquer superfície coberta de vegetação.. 2.1.4 Radiação Solar. De acordo com Varejão (2002, p. 165), “a radiação, ou energia irradiante, é a energia que se propaga sem a necessidade da presença de um meio material” neste contexto fica claro que a energia proveniente da radiação solar é transmitida na forma de ondas eletromagnéticas. Tanto o Sol como a Terra, são astros que emitem energia. A radiação emitida por um corpo encontra-se dentro de um espectro eletromagnético (Figura 2.3), definido como sendo o conjunto de comprimento de onda (λ), emitido por um corpo, sendo o λ inversamente proporcional a quantidade de energia de radiação.. 2.1.4.1 Espectro eletromagnético. Figura 2. 3: Espectro eletromagnético. Fonte: Justo (2014)..

(30) 23. De toda a energia emitida pelo Sol, 41% se concentram entre 400 e 700 nanômetros (nm), onde este conjunto é denominado como o espectro visível de energia. Esta região é considerada muito importante para os efeitos como propiciar a visão e é útil no processo de fotossíntese. A região ultravioleta (UV) encontra entre a faixa de 400nm a 200nm com apenas 7% da energia emitida. A faixa UV é dividida em três sub faixas x. UV-A(λ de 400 a 320nm). x. UV-B(λ de 320 a 280nm). x. UV-C(λ de 280 a 200nm ) Os comprimentos de onda na faixa infravermelha (IV) são correspondentes a 44% da. radiação incidente no topo da atmosfera. Esta é denominada como radiação calórica, ou seja, é ela que é a responsável pelo aquecimento dos corpos terrestres. Grande parte desta radiação é absorvida pelo vapor d’água e gás carbônico presente na atmosfera, como também a mesma é dissipada pelos vegetais através da transpiração dos mesmos, o que evita o superaquecimento. A IV é dividida em três sub faixas de ondas, sendo elas do tipo: x. Curta (λ de 800 a 1500nm). x. Média (λ de 1500 a 5600nm). x. Longa (λ de 5600 a ͳͲ଺ nm). Em resumo pode-se concluir que, devido ao fato comprimento de onda ser inversamente proporcional a quantidade de energia, um Fóton ultravioleta, possui bem mais energia do que um Fóton de luz visível ou infravermelho. De acordo com Mota (1976), a energia que segue o curso ondulatório, se desloca no espaço, a velocidade da luz (aproximadamente 300 000 km/s), sendo equivalente ao comprimento de onda λ sob uma frequência de oscilação (f). Matematicamente este fenômeno é expresso conforme a equação (2.1). ܸ ൌ ɉ. 2.1.4.2 Corpo Negro. (2.1).

(31) 24. Um corpo negro é considerado como um ponto de referência para efeito de estudo das características do espectro solar. Este se define como sendo aquele que é capaz de receber absorver totalmente a radiação eletromagnética de todos os comprimentos de onda que incidem sobre ele. (BÍSCARO, 2007). Conforme Tubelis e Nascimento (1986), a energia emitida pelo corpo negro, depende da temperatura do mesmo. Este conceito é demonstrado através da Lei de Stefan-Boltzmann (equação 2.2). ‫ ܧ‬ൌ ‫ ܶݔߪݔ݉ܧ‬ସ. (2.2). Onde: ‫ = ܧ‬energia total emitida ( Ȁ ଶ . min); Em = fator de emissividade do corpo; ߪ = constante de Stefan-Boltzmann ሺͲǡͺʹ͹ǤͳͲିଵ଴ Ȁ ଶ Ǥ ); T = temperatura absoluta (K);. 2.1.4.3 Fluxo de radiação que atinge um corpo. Conforme Mota (1976), o fluxo de radiação incidente sobre um corpo apresenta as seguintes características: x. Refletividade: é a parte da radiação incidente refletida pelo material. Nas plantas a. refletividade varia de acordo com o comprimento de onda, bem como do coeficiente de reflexão das folhagens depende de suas pigmentações. x. Absorvicidade : é parte da radiação retida por um corpo. Esta retenção é o que ocasiona. o aquecimento do mesmo. A fração entre a energia incidente e absorvida, varia de zero a 1. x. Transmissividade: é a parte da radiação que atravessa um corpo. Esta pode ter sua. trajetória alterada de acordo com as características do material. x. Albedo: é uma nomenclatura dada aos coeficientes de reflexão dos materiais. Este termo. também e utilizado para expressar a quantidade de radiação visível refletida..

(32) 25. Estes efeitos podem ser observados conforme o ilustrado na Figura (2.4):. Figura 2. 4: Reflexão, absorção e transmissão de um corpo.. Fonte: Bíscaro (2007).. Portanto, pode-se dizer que o total de radiação que incide sobre um corpo (li) é o somatório da energia que é absorvida (Ia), refletida (Ir) e transmitida (It) (equação 2.3).

(33) ൌ

(34) ൅

(35) ൅

(36) . (2.3). 2.1.4.4 Intensidade da Radiação Solar A radiação solar acima da atmosfera terrestre é de 1367 Ȁଶ (SARAIVA, FILHO e MULLER, [s.d]), ao atingir o topo da atmosfera da Terra ela é atenuada devido aos seguintes fatores: x. O espalhamento pelas partículas da atmosfera (gases, cristais, impurezas, etc.);. x. A absorção seletiva (de acordo com o λ) por determinados constituintes da atmosfera. como: O2, CO2, O3 e vapor d’água; x. A absorção e reflexão pelas nuvens, as quais absorvem no máximo 7% e refletem 90%. de acordo com suas dimensões;.

(37) 26. A Figura (2.5) mostra a diferença da radiação solar no topo da atmosfera e ao nível do mar, após ser filtrada pelos componentes naturais.. Figura 2. 5: Espectro da intensidade da radiação solar. Fonte: Corrêa (2006).. De certa forma a quantidade total de energia que atinge a superfície denominada irradiância solar, é expressa de acordo com a relação de potência por unidade de área conforme sua composição como mostra o Quadro (2.2).. Quadro 2. 2: Potência da radiação solar que atinge a Terra, nas diferentes faixas do espectro.. Faixa do espectro. Ȁଶ. %. UV-C (<280 nm). 6,4. 0,5. UV-B (280-320 nm). 21,1. 1,5. UV-A (320-400 nm). 85,7. 6,3. Visível. 532. 38,9. Infravermelho. 722. 52,8. Fonte: Adaptado de Corrêa (2006)..

(38) 27. No Gráfico (2.1) é apresentado o comportamento diário médio da irradiância solar perante aos atenuantes atmosféricos como as nuvens e as suas variações de cobertura.. Gráfico 2. 1: Irradiância solar média diária sob as diferentes coberturas de nuvem.. Fonte: Geo Design Internacional (2016).. 2.1.4.5 Balanço de Radiação Solar na superfície terrestre. De acordo com Bíscaro (2007), denomina-se balanço de radiação solar (equação 2.4), a contabilização entre o recebimento e devolução de energia no fluxo de radiação que incide sobre a superfície terrestre. O resultante deste balanço é chamado de Radiação liquida (RL), sendo esta, a soma do balanço das ondas curtas (Boc) emitidas pelo Sol (com ou sem modificações), e do balanço de ondas longas (Bol), as quais são emitidas pela superfície terrestre.. ൌ ൅. (2.4). A radiação solar total que chega até a superfície terrestre é chamada de Radiação global (Qg). Esta é a soma dos fluxos de radiação direta (Qd) (os raios não tem o seu caminho alterado), mais o fluxo de radiação difusa (Qc) (os raios tem seu caminho alterado pelas.

(39) 28. nuvens), onde ambas atingem a superfície terrestre simultaneamente como pode ser visto na Figura (2.6). Logo a radiação solar pode ser representada pela equação (2.5).. ൌ൅ . (2.5). A radiação solar absorvida (Qoc), tamém chamada de balanço de ondas curtas é a diferença ente a radiação global recebida (Qg) e a parte refletida (rQg), conforme condiz a equação (2.6).. ൌǦ. (2.6). Conforme já citado anteriormente a Terra também emite ondas eletromagnéticas porém do tipo longa, e em sentido oposto a essas, se forma na atmosfera um fluxo de radiação do mesmo tipo de onda na mesma direção porém sentido contrário que denominam-se contraradiação, logo o balanço das ondas longas (Qol) é a diferença entre a contra-radiação (Qcr) e a radiação emitida pela Terra(Qs)(calculada pela lei de Stefan-Boltzman).. ൌ Ǧ. (2.7). Portanto, o balanço total de radiação ou saldo de radiação (Q), conforme demonstrado na equação (2.8). O resultante deste balanço é o que será responsável pela geração dos demais fenômenos meteorológicos.. ൌ ൅. (2.8). Na Figura (2.6) é possível observar teoricamente como é a dinâmica dos fluxos de radiação solar após atingirem a atmosfera bem como a superfície. . Figura 2. 6: Balanço de radiação. Qcr. Fonte: Bíscaro (2007)..

(40) 29. 2.1.4.6 Equipamentos de medição da radiação solar. O Sensor de Radiação Solar (Piranômetro), mede a radiação global (Qg), que é a soma no ponto de medição tanto da radiação direta (Qd) quanto da difusa (Qc). O transdutor do sensor, que converte a radiação incidente em corrente elétrica. Pode-se observar na Figuras (2.7 a,b) as duas classes de piranômetros existentes.. Figura 2. 7: (a) Piranômetro de termopar, modelo Eppley, (b),Piranômetro de fotodiodo de silício.. Fonte: Pereira, Angelocci e Sentelhas (2007).. O Piranômetro de Eppley (figura 2.7 a), é constituído por uma sequência de termopares (termopilha) associados em série sobre a face do instrumento. Metade das junções se mantém a uma dada temperatura, enquanto a outra é aquecida, sendo a diferença de temperatura entre elas proporcional ao total de energia incidente por uma constante de calibração. Obtém-se através da diferença de potencial um sinal analógico, para realizar leituras instantâneas ou registros contínuos no sistema eletrônico de aquisição de dados (VIANELLO e ALVES, 2000). A face sensória é protegida por uma cápsula de quartzo, que filtra as radiações de onda longa (radiação terrestre), para que o sensor capte apenas a radiação solar (ondas curtas). O Piranômetro da figura (2.7 b) é descrito como sendo um fotodiodo de silício que responde à absorção de energia. Este, também produz uma corrente elétrica proporcional à irradiância solar global sob uma constante de calibração que realiza a conversão das grandezas. A face do instrumento, possui uma placa difusora responsável por filtrar ondas longas e também ondas curtas acima de 1300nm. Este instrumento não é considerado como padrão para calibração dos demais, porém apresenta a vantagem como o custo reduzido em comparação ao piranômetro de termopar, apresentando a mesma eficiência. A constante de calibração Kc é fornecida de acordo com o fabricante do instrumento, sendo Kc = Qg/S expressa em.

(41) 30. ሺȀଶ Ȁ) onde Qg é a radiação solar global (Ȁଶ ), e S (mV) o sinal de resposta do sensor. (LOPES e LAMBERTS, 2008). 2.1.5 Temperatura do solo. A temperatura do solo é um elemento meteorológico de grande importância agrícola pela função que desempenha nas interações entre o solo e as plantas. A temperatura do solo depende, em grande parte, da densidade de fluxo e da duração da radiação solar e das condições do solo, especialmente cobertura superficial e teor de água (DERPSCH, SIDIRAS e HEINZMANN, 1985). A temperatura do solo influi em vários processos que ocorrem no solo como: germinação de sementes, crescimento do sistema radicular (divisão celular), absorção de água e nutrientes, decomposição de matéria orgânica e na ocorrência de doenças nas plantas (UFSM, 2014). A superfície do solo com ou sem cobertura vegetal é o principal trocador e armazenador de energia nos ecossistemas terrestre. O fluxo de transporte de calor proveniente do aquecimento do solo durante o dia, faz com que a energia térmica seja armazenada no seu interior, causando a sua elevação de temperatura (Figura 2.8 a). Ao anoitecer a temperatura na superfície é menor do que a das camadas mais subjacentes no solo, isto faz com que o fluxo se inverta e emita energia térmica na forma de radiação terrestre (Figura 2.8 b). Estre processo é conhecido como balanço de radiação na superfície.(PEREIRA; ANGELOCCI; SENTELHAS, 2007; UFSM, 2014).. Figura 2. 8: Processo diário de condução de aquecimento (a) e resfriamento (b) do solo, sendo Z a profundidade e t a temperatura de cada camada.. Fonte: UFSM (2014)..

(42) 31. Como ilustrado na figura (2.8), o solo é dividido e camadas, e cada camada possui propriedades térmicas como a condutividade térmica. e calor específico volumétrico. A. variação diária do solo também é dependente de fatores externos e intrínsecos. As variações de temperatura são decorrentes das trocas de calor, as camadas superficiais são as que mais recebem e cedem calor, logo apresentam maior variação, ou seja, tem maior amplitude térmica. As camadas mais profundas apresentam menor amplitude térmica, devido ao fato do solo ser poroso e péssimo condutor de calor. O comportamento térmico diário do solo e da profundidade é estudado a partir da elaboração de perfis de variação da temperatura (tautócronas, Gráfico 2.2). Conforme observado, a medida que aumenta a profundidade a amplitude térmica vai diminuindo, e a partir de 35cm ocorre isotermia.(PEREIRA; ANGELOCCI; SENTELHAS, 2007) Gráfico 2. 2: Tautócronas de um solo coberto de vegetação. Fonte: Pereira, Angelocci e Sentelhas (2007).. 2.1.5.1 Equipamentos de medição da temperatura do solo. A termometria do solo é realizada através de termômetros especiais denominados como geotermômetros que se dividem em 4 grupos, sendo os de dilatação de líquido, bimetálicos, pares termoelétricos, e os de resistência elétrica. Na medição da temperatura do solo de maneira convencional são utilizados uma bateria de termômetros de diferentes tamanhos para que obtenha a medida em diferentes profundidades como pode ser observado nas Figuras ( 2.9 a,b)..