PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM
CIÊNCIAS AMBIENTAIS
Automação para Lisímetro de Lençol Freático Constante
Elias Antônio Morgan
Cuiabá - MT Fevereiro/2018
UNIVERSIDADE DE CUIABÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM
CIÊNCIAS AMBIENTAIS
Automação para Lisímetro de Lençol Freático Constante
Elias Antônio Morgan
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Ciências Ambientais da Universidade de Cuiabá, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências Ambientais.
Orientador: Dr. Osvaldo Alves Pereira
Cuiabá, MT Fevereiro/2018
Dados Internacionais de Catalogação na Fonte.
______________________________________________________________ M???a
MORGAN, E. A.
Automação para Lisímetro de Lençol Freático Constante / Elias Antônio Morgan - Cuiabá/MT/Brasil: 2018.
66 f. : il. color.; 29,7cm.
Orientador Prof. Dr. Osvaldo Alves Pereira
Dissertação (Mestrado) - Universidade de Cuiabá (UNIC), Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Ciências Ambientais.
Inclui Bibliografias
1. Evapotranspiração 2. Lisimetria 3. Informatização de processo (Automatização) 4. Lisímetro de Lençol Freático à nível Constante I. Título.
CDD-???.???
Ficha catalográfica elaborada automaticamente de acordo com os dados fornecidos pelo autor. Permitida a reprodução parcial ou total, desde que citada a fonte.
UNIVERSIDADE DE CUIABÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM CIÊNCIAS AMBIENTAIS
FOLHA DE APROVAÇÃO
Título: Automação para Lisímetro de Lençol Freático Constante. Autor: Elias Antônio Morgan
Dissertação defendida e aprovada em 08 de fevereiro de 2018, pela comissão julgadora:
_________________________________ Prof. Dr. Osvaldo Alves Pereira
Orientador - Física Ambiental
Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais Universidade de Cuiabá – UNIC
_________________________________ Prof. Dr. Carlo Ralph de Musis
Examinador Interno
Programas de Estudos Pós-Graduados em Física e Ciências Ambientais Universidade de Cuiabá - UNIC
_________________________________ Prof. Dr. Geraldo Aparecido Rodrigues Neves
Examinador Externo Instituto de Física
Universidade Federal de Mato Grosso – UFMT
_________________________________ Prof. Dr. Rivanildo Dallacort
Examinador Externo
Departamento de Agronomia, Campus de Tangará da Serra Universidade do Estado de Mato Grosso - UNEMAT
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“Jamais considere seus estudos como uma obrigação, mas como uma oportu-nidade invejável para aprender a conhe-cer a influência libertadora da beleza do reino do espírito, para seu próprio prazer pessoal e para proveito da comunidade à qual seu futuro trabalho pertencer.” Albert Einstein
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Dedico este trabalho à minha esposa Eli-ziani Coletti Morgan, maior exemplo de perseverança na minha busca do conheci-mento e que apesar das dificuldades, pa-ciência soube transmitir toda sua sabedo-ria e apoio constante. Aos meus filhos Mateus e Lucas, incentivo incondicional para alegria.
Agradecimentos
À DEUS, que todos os dias de minha vida me deu forças para sempre estar pronto. À minha esposa Eliziani Coletti Morgan, que Amar é andar de mãos dadas por esse labirinto estranho e mágico que é a vida. É não perder o outro de vista, mas deixá-lo respirar quando preciso for, obrigado pelo tempo que fiquei longe no mestrado e aos meus filhos Mateus e Lucas amados e queridos.
Aos familiares pela simplicidade, que sempre me incentivaram e apoiaram nessa jor-nada.
Ao José Marcos e Noelma Magalhães pela hospitalidade e por fazerem com que me sentisse sempre bem confortável, me acolheram todo o tempo.
À Universidade de Cuiabá/UNIC - Beira Rio, pelo apoio concedido à turma de mes-trado que sempre acreditaram nestes mestrandos. Também, ao campus Barão pelo espaço cedido ao PPGCA de pesquisa.
Ao Departamento de PPGCA - Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais - UNIC, pelo apoio à minha participação no mestrado.
Ao meu orientador, Professor Dr. Osvaldo Alves Pereira, por seu apoio e amizade, além de sua dedicação, competência e especial atenção nas revisões e sugestões, fatores fundamentais para a conclusão deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Osvaldo Borges Pinto Júnior coordenador do Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais.
Ao Prof. Dr. Carlo Ralph de Musis pelas dicas de orientações na automação.
Ao Prof. Dr. Geraldo Aparecido Rodrigues Neves pelas instruções na informatização do processo.
Ao Prof. Dr. Fernando da Silva Sallo pelas instruções na editoração e apoio no LaTex.
Aos Prof. Dr. Jonathan Willian Zangeski Novais e Prof. Dr. Victor Hugo de Morais Danelichen pelas atenção dada a dissertação.
A todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais do mestrado que de alguma forma contribuíram para minha formação.
Aos professores que destinaram parte de seu precioso tempo para participarem desta
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pesquisa.
Aos funcionários da secretaria de pós-graduação e a toda equipe que integra a PPGCA - Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais pela competência no suporte de nos-sas necessidades acadêmicas.
Ao proprietário da loja Global Assistência Técnica pelos empréstimos dos compo-nentes para início deste projeto.
Aos colegas da turma de mestrado pela calorosa recepção e companheirismo que ti-veram com nossa turma desde o início dessa jornada, em especial pelo apoio nos momentos mais difíceis. São: Ana Carolina Amorim Marques, Angélica Yara Siqueira, Antônio Ramos Corrêa, Benedito Valdevino Ribeiro, Cristiane Aparecida Eliziário, Cristiano Goulart, Fabrí-cia Cristina Lemos Melo, Giovani Vinícius Merlin, Maurel Francelino Guerreiro, Nathália Martins da S. Reis, Priscila Maria Gonçalves Guilherme, Rafael Leite Brandão Laranja, Su-zilene Damázio de Lara Campos.
A todas as pessoas que direta ou indiretamente contribuíram no desenvolvimento desta pesquisa investigadora.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS I
LISTA DE SÍMBOLOS E SIGLAS II
RESUMO IV ABSTRACT V 1. INTRODUÇÃO 1 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 4 2.1. LISÍMETROS . . . 4 2.2. EVAPOTRANSPIRAÇÃO . . . 6
2.3. AUTOMAÇÃO PARA LISIMETRIA . . . 9
2.3.1. Ferramentas computacionais . . . 11
2.3.2. Placa eletrônica Arduino Mega 2560 . . . 11
2.3.3. Interruptores de lâminas (Reed Switches) . . . 14
2.3.4. Placa eletrônica relés (Relay Shields) . . . 14
2.3.5. Válvulas solenóides . . . 16
2.3.6. Sensor de fluxo . . . 16
2.3.7. Data e hora (Clock) . . . 18
2.3.8. Componente módulo Temperatura e Umidade . . . 19
2.3.9. Armazenamento dos dados . . . 20
2.3.10. Placa eletrônica de comunicação (GSM Shield V2-CE0700) . . . . 20
3. MATERIAL E MÉTODOS 22 3.1. DESCRIÇÃO DO LOCAL DE ESTUDO . . . 22
3.2. AUTOMAÇÃO PARA MEDIÇÃO HÍDRICA . . . 23
3.3. CALIBRAÇÃO . . . 24
3.4. OBTENÇÃO DOS DADOS DIGITAIS . . . 26
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 29
5. CONCLUSÃO 32
REFERÊNCIAS 33
6. ANEXOS 39
6.1. Anexo A - Diagrama de pinos do Arduino Mega 2560 R3 . . . 39
6.2. Anexo B - Esquema eletrônico Relay Shieldes . . . 40
6.3. Anexo C - Esquema Water Flow Sensor Datasheet . . . 41
LISTA DE FIGURAS
1. Esquema de um evapotranspirômetro de lençol freático regulável. . . 4
2. Registro de esfera hidráulico (hidrômetro). . . 5
3. Estrutura desenho depósito d’água em automação para lisímetro lençol freá-tico constante. . . 6
4. Evapotranspiração = (evaporação + transpiração). . . 6
5. Placa Arduino Mega 2560 R3. . . 13
6. Instalação interruptores de lâminas (Reed Switches). . . 14
7. Circuito de automação do Reed Switches. . . 14
8. Modelagem circuito placa Relay Shields 4 relés. . . 15
9. Válvula solenóide. . . 16
10. Modelagem circuito sensor de fluxo. . . 17
11. Placa Real Time Clock (RTC) (DS1307). . . 18
12. Sensor temperatura e umidade. . . 19
13. Modelagem circuito sensor temperatura e umidade. . . 19
14. Placa SDCard Shield V4.1. . . 20
15. Placa de comunicação. . . 21
16. Mapas da América do Sul - Brasil, Mato Grosso - Cuiabá. . . 22
17. Depósito d’água para lisímetro lençol freático constante. . . 23
18. Módulo de placas consolidadas com Arduino Mega 2560. . . 24
19. Recipientes provetas averiguando massa de água (g). . . 25
20. Leitura de dados feita pelo sistema. . . 27
21. Fluxograma do código de programa . . . 28
22. Regressão linear de massa de água (g) X pulso do sensor de fluxo (Hz). . . 29
23. Regressão linear de massa de água (g) x volume hidrômetro (mL). . . 30
24. Diagrama de pinos do Arduino Mega 2560 R3 . . . 39
25. Esquema eletrônico Relay Shieldes . . . 40
26. Esquema Water Flow Sensor Datasheet . . . 41
LISTA DE SÍMBOLOS E SIGLAS
∆e Umidade do Ar
λ E Evapotranspiração [Wm−2]
Ω Resistor Interno
BCD Binary-Coded Decimal– Decimal Codificado em Binário
CI Circuito Integrado
EEPROM Eletrically Erasable Programmable Read Only Memory - Memória somente
lei-tura programável e apagável eletronicamente
ET Evapotranspiração ETc Evapotranspiração de Cultura ETo Evapotranspiração de referência ET O Evapotranspiração de Oásis ET P Evapotranspiração potencial ET R Evapotranspiração Real
FAO Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação
GPRS General Packet Radio Services- Serviços Gerais de Pacote por Rádio
GSM Global System for Mobile Communications- Sistema Global para Comunicações
Mó-veis
H Calor sensível
IDE Ambiente de Desenvolvimento Integrado
Ks Umidade do solo
III
LAMA Laboratório de Análise e Modelagem Ambiental
Mhz Mega-Hertz- Unidade de Frequência
PIC Pro-grammable Interrupt Controller
Rn Saldo de Radiação
RTC Real Time Clock- Relógio de Tempo Real
SMS Short Message Service- Serviço de Mensagens Curtas
Tar Temperatura do ar
U Velocidade do Vento
RESUMO
MORGAN, E. A. Automação para Lisímetro de Lençol Freático Constante. 2018. 46f. Dis-sertação (Mestrado), Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Ciências Ambientais, Universidade de Cuiabá, Unidade Beira Rio - UNIC, Cuiabá/MT/Brasil.
As medições feitas para abastecimento de água nos lisímetros lençol freático constante são manuais. Este trabalho tem por objetivo implementar um protótipo do sistema de automa-ção para lisímetro de lençol freático constante. A boia do sensor de nível (interruptores de lâminas), dispositivo usado para detectar o nível de líquido dentro do depósito, acionando a válvula solenóide liberando água, obtendo os dados de consumo pelo sensor de fluxo d’água. A calibração do sensor de fluxo d’água foi obtido por meio da regressão linear entre os dados gerados pelo sistema de massa de água (g) x pulso do sensor de fluxo (Hz), encontrando-se como resultado a equação (y = 0,24 x), na análise dos erros do modelo foi encontrado erro médio menor que 1%. Analisando os dados coletados em massa de água (g) x hidrômetro (mL), resultando na equação (y = 0,94 x), encontrando-se um erro médio de 24,70% mos-trando que o ajuste encontrado para o sistema automatizado foi melhor que o hidrômetro. A metodologia empregada na calibração do sensor de fluxo d’água para o lisímetro é tecnica-mente adequada obtendo-se coeficiente de determinação de 0,99 na equação de calibração. Consubstanciou-se que é possível construir um sistema de medição em consumo hídrico automatizado do fluxo d’água no depósito para lisímetro de lençol freático constante com precisão aceitável, associado a um sistema consolidado e implementado da transmissão de dados para apresentação da visualização do resultado em tempo real, acelerando o processo de identificação hídrica.
Palavras-chave: Evapotranspiração, Lisimetria, Informatização de processo (Automatiza-ção).
ABSTRACT
MORGAN, E. A. Automation for Constant Groundwater Lysimeter. 2018. 46f. Dissertation (Master degree), Department of Environmental Sciences, University of Cuiabá - Beira Rio Unit - UNIC, Cuiabá/MT/Brasil.
1542/5000 The measurements made for water supply in the constant water table lysimeters are manual. This work aims to implement a prototype of the automation system for cons-tant water table lysimeter. The level sensor float (slide switches), device used to detect the level of liquid inside the tank, triggering the solenoid valve releasing water, obtaining the consumption data by the water flow sensor. The calibration of the water flow sensor was obtained by linear regression between the data generated by the water mass system (g) x pulse of the flow sensor (Hz), resulting in the equation (y = 0 , 24x), in the analysis of model errors an average error of less than 1 % was found. Analyzing the data collected in mass of water (g) x hydrometer (mL), resulting in the equation (y = 0.94 x), finding an average error of 24.70 % showing that the adjustment found for the automated system was better than the hydrometer. The methodology used in the calibration of the water flow sensor for the lysimeter is technically adequate, obtaining a determination coefficient of 0.99 in the ca-libration equation. It was verified that it is possible to construct a system of measurement in automated water consumption of the water flow in the tank for lysimeter of constant water table with acceptable precision, associated to a consolidated system and implemented of data transmission for presentation of the visualization of the result in real time, accelerating the water identification process.
Keywords: Evapotranspiration, Lisimetry, Process automation (Automation).
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
A disponibilidade hídrica numa região favorece o desenvolvimento e manutenção da vida, na forma na qual a conhecemos. Em relação a outros recursos naturais, a água forma ciclos hidrológicos fechados. O ciclo da água terrestre é de importância crítica para uma ampla gama de processos do sistema terrestre.
Estima-se sobre água que, cerca de 97,5% são salgadas e 2,5% doces, dos quais 69% representam geleiras e neves eternas, 30%, a água subterrânea, 0,9% outros reservatórios não prontamente disponíveis e 0,3% está em lagos e rios prontamente disponíveis para o homem. Destes últimos, 65% são utilizados em atividades agrícolas, 22% pela indústria e 7% pelos municípios, sendo perdidos os 6% restantes, razão pela a qual escassez de água potável já pode ser sentida há muito tempo.
Das atividades antrópicas, a agricultura demanda grandes quantidades de água, cerca de 65% de toda de água potável disponível diretamente é utilizada nesta atividade. Esforços têm sido empregados no desenvolvimento de pesquisas que possibilitem a sua economia. Neste sentido, o correto conhecimento do consumo hídrico das culturas, seja para projeto e/ou manejo de irrigação, assume fundamental importância.
A evapotranspiração é um processo muito importante do ponto de vista agrometeoro-lógico. Ela indica a transpiração de água pela vegetação e vaporação da água nas superfícies do solo, lagos e rios, sendo de valor fundamental no manejo da água, em diversos setores da engenharia, agronomia, hidrologia, etc.
Em muitas partes do mundo a disponibilidade de água para irrigação é um dos princi-pais problemas da agricultura. É por isso que as novas tecnologias devem ser utilizadas para alcançar uma gestão adequada da irrigação, que é o principal determinante da qualidade e quantidade das colheitas e envolve a determinação das necessidades de água das culturas.
Uma das alternativas para se racionalizar o uso da água, em projetos agrícolas, é
estimar a evapotranspiração da cultura (ETc), a partir da evapotranspiração de referência
(ETo) e do coeficiente de cultura (Kc). As necessidades de consumo hídrico das plantas
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têm sido amplamente estudado por diversos métodos: baseados no solo (balanço hídrico), meteorológicos (balanço de energia, aerodinâmico, etc.) e também em medidas direta na planta (fluxo de seiva, transpiração e potencial da água nas folhas).
Outro método de medida direto, amplamente utilizado é o de lisimetria. Dentre estes, o lisímetro de pesagem, sistema que mede a perda d’água da planta e solo para atmosfera, por diferença de massa d’água ao longo do tempo, que em conjunto com sistema de pesagem e aquisição de dados digitais é considerado de precisão. Este método tem como desvanta-gem a reposição d’água ser praticamente manual. Já o lisímetro de lençol freático constante tem a vantagem da reposição d’água ser automática, porém a aquisição dos dados de con-sume hídrico serem por sistema analógicos. No entanto, as medidas do consumo hídrico são anotados manualmente. É, uma análise ideal para a programação automatizada de reposição hídrica.
São utilizados lisímetros com lençol freático constante, devido a sua clareza e a fa-cilidade em variar a profundidade do lençol no seu interior. Utilizando-se deste método em seus experimentos para a determinação do consumo de água pelas culturas, e constataram a facilidade de operação e acerto. O processo tecnológico é sempre contínuo e necessário, di-ante de dificuldades apresentadas no cotidiano. Neste sentido, observa-se uma oportunidade de modernização no processo de aquisição dos dados produzido pelo abastecimento d’água. Justifica-se o presente trabalho, por propiciar a automação do processo de aquisição do consumo hídrico em um lisímetro de lençol freático constante. Manualmente é feito as anotações por responsável passível de erro nas execuções e anotações dos dados para abastecimento de água nos lisímetros lençol freático constante.
O objetivo geral deste trabalho é consolidar e implementar um protótipo do sistema de automação para lisímetro de lençol freático constante.
Para alcançar esse objetivo foram necessários os seguintes objetivos específicos: Apre-sentar os conceitos para evapotranspiração; Caracterizar os procedimentos de instalação da automação para lisímetro de lençol freático constante; Descrever os módulos e estruturas de circuitos eletrônicos pelas ferramentas computacionais utilizadas. Avaliar resultados produ-zidos pela calibração entre dados digitais e analógicos.
Com o objetivo do estudo de automação para lisímetro de lençol freático constante em relação aos aspectos teóricos e práticos organizou se esta dissertação da seguinte forma:
• Fundamentação Teórica: apresentado um estudo sobre os conceitos e fundamentos teóricos em evaporação, transpiração, evapotranspiração, fatores intervenientes, lisí-metros e automação.
• Material e Métodos: apresenta-se a localização e instalação da área de estudo, ideali-zação da automação, calibração, obtenção dos dados e ferramentas computacionais.
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• Resultados e Discussões: são apresentados os seguimentos e argumentações dos dados produzidos.
Capítulo 2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo fundamenta-se os conteúdos sobre evapotranspiração com lisímetro de lençol freático constante e na sequência automação com módulos utilizados.
2.1
LISÍMETROS
O primeiro relato de utilização de lisímetros ocorreu na França, em 1688, quando De
La Hireusou recipientes preenchidos com solo argilo arenoso e observou que nos lisímetros
cobertos com grama a perda de água era maior do que em outros com solo sem cobertura
vegetal (WENDLAND et al., 2004). Nos Estados Unidos, o primeiro a utilizar um
lisíme-tro para mensurar a evapotranspiração em condições de campo foi Thorntwaite, (CUNHA;
WENDLAND,2005).
Na (Figura 1) apresenta-se o esquema em desenho de um evapotranspirômetro lisí-metro de lençol freático constante.
Figura 1: Esquema de um evapotranspirômetro de lençol freático regulável.
Fonte: (VAREJÃO-SILVA,2006)
Os lisímetros quando organizado, levando-se em consideração o local a ser implan-tado, condições climáticas, tipo de solo, disponibilidade de materiais, custos, calibração e
manejo medem precisamente a Evapotranspiração da cultura (ETc) (CAMPECHE,2002).
Os lisímetros são divididos em duas grandes categorias: os lisímetros de pesagem:
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mecânica, eletrônica, hidráulica e de flutuação. Outra categoria são os não pesáveis também
chamados de volumétricos: drenagem e lençol freático (ALBUQUERQUE et al.,2010).
Os lisímetros de pesagem podem determinar a evapotranspiração pelo balanço de massa em intervalos cerca de uma hora e, em função da sua precisão, são considerados
equipamentos padrões para aferição dos demais métodos (NASCIMENTO et al.,2011).
O método lisimétrico é bastante preciso na determinação da evapotranspiração, desde
que os equipamentos sejam instalados de maneira correta (NASCIMENTO et al., 2011),
sendo fundamental que as condições internas do equipamento se assemelhem ao máximo das externas do ambiente, tanto no que se refere ao tipo de solo e planta, como nas condições
de umidade desse solo (BOMFIM et al.,2014).
Para obtenção de dados em consumo hídrico é feito leituras manuais através de hi-drômetro.
Os registros de esfera (Figura 2) são produtos termoplásticos, desenvolvidos para aperfeiçoar a relação do homem com a água. Aplicados no controle da passagem da água fria pela tubulação, o que permite o bloqueio total do fluxo para manutenção, instalações e limpeza. As peças são práticas e de total segurança nas versões roscável, rosca externa ¾" e
soldável (JUNIOR et al.,2006).
Figura 2: Registro de esfera hidráulico (hidrômetro).
Os sensores de fluxo pertencem a uma classe denominada de sensores mecânicos. O mecanismo que se move continuamente com a passagem de um fluído e cuja velocidade de rotação é proporcional á velocidade do fluído que está a ser medido. O mesmo possui diversas vantagens tais como, exatidão elevada, materiais resistentes à corrosão, estabilidade a longo prazo, pode operar com líquidos ou gases, sinal de saída analógico ou por impulso, gama de operação elevada, baixa queda de pressão, grandes intervalos de pressão e
tempera-tura e boa capacidade de resistência ao choque (COSTA,2008).
Na (Figura 3) apresenta-se a estrutura de desenho depósito d’água da automação para lisímetro de lençol freático constante.
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Figura 3: Estrutura desenho depósito d’água em automação para lisímetro lençol freático constante.
Fonte: Adaptado de (VAREJÃO-SILVA,2006)
2.2
EVAPOTRANSPIRAÇÃO
A Evapotranspiração (ET ) (Figura 4) é definida como sendo o processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera por evaporação da água do solo e da vegetação
úmida e por transpiração das plantas (COSTA, 2015a). Como é praticamente impossível se
distinguir o vapor d’água proveniente na evaporação do solo e da transpiração das plantas (SILVA et al., 2015). Portanto, a perda de água conjunta pela superfície molhada do solo (evaporação) e pelos estômatos das folhas das plantas (transpiração) dos vegetais, dá-se o nome de evapotranspiração. A quantificação deste fenômeno é de muita importância, prin-cipalmente na agricultura. No dimensionamento de projetos de irrigação, para o manejo correto é necessário o conhecimento da perda de água pela cultura. Com isso evitam-se apli-cações excessivas ou reduzidas insuficiente de água, que acarreta em doenças, lixiviação,
além dos gastos adicionais de energia e insumos (ALLEN et al.,1998).
= +
Figura 4: Evapotranspiração = (evaporação + transpiração). Fonte: Disponível em
https://irrigacao.blogspot.com.br/2013/08/importancia-da-evapotranspiracao-para.html Acesso em 25 ago. 2017
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Na natureza, a fonte de energia responsável por esse processo é o Sol (GEHLEN
et al., 2016). Entre os fatores da transpiração vegetal, o grau de umidade relativa do ar atmosférico, a pressão barométrica e a salinidade da água.
A evaporação refere-se à mudança da água do seu estado líquido para o estado vapor, por ação da energia solar. Esta pode ocorrer em qualquer superfície úmida e exige certa
quantidade de energia externa para acontecer (GIACOMONI, 2005). A evaporação pode
ocorrer em corpos d’água, solos saturados ou de superfícies não saturadas (MENDONÇA;
DANNI-OLIVEIRA,2017).
Evaporação é o processo natural para a fase de vapor (vaporização), removendo-a de superfícies evaporantes dos cursos d’água, oceanos, lagos, rios, pavimentos; da superfície do solo e vegetação úmida (evaporação do orvalho e da chuva interceptada pela copa das
árvores) (ALLEN et al., 1998; OLIVEIRA et al., 2008; FERREIRA, 2017). Essa energia
é chamada de calor latente de vaporização (λ E), que em média corresponde a: λ E = 2,45
MJ/kg (a 20oC) (SIQUEIRA,2017).
A evaporação potencial é a taxa de evaporação de uma dada superfície, controlada climaticamente, quando a quantidade disponível e a taxa de alimentação de água à superfície são ilimitadas.
A evaporação também pode ser controlada pelas condições da superfície a partir da qual ela se processa (na superfície do solo, das água). Assim, além da radiação solar, outras variáveis exercem influência no processo da evaporação, destacando-se as temperaturas da
água e do ar, a pressão de vapor e o vento (MENDONÇA; DANNI-OLIVEIRA,2017).
A determinação da demanda hídrica de uma cultura permite ajustar diversas práticas de manejo, entre elas a irrigação, auxiliando no planejamento da lavoura com vistas a aumen-tar o seu potencial produtivo, promovendo reduções de riscos e de custos para a produção e o aumento da eficiência de utilização da água, principalmente em regiões ou épocas em que
há limitações hídricas (BERGAMASCHI et al.,2004). Para que isso ocorra é necessário
de-terminar a quantidade de água que está sendo consumida pela planta e o quanto ela precisa,
sendo a determinação da transpiração fundamental para alcançar estas etapas (TANAKA,
2010).
A transpiração é a evaporação que ocorre das folhas das plantas, através das abertu-ras dos estômatos. Novamente, dada uma taxa ilimitada de alimentação de água na zona das raízes, a transpiração potencial é uma função do clima e da fisiologia da planta. A trans-piração real sob condições limitadas de água depende na habilidade da planta em extrair a
umidade do solo parcialmente saturado, com capacidade limitada de transferir água (LEÃO
et al.,2011).
Já as plantas da superfície terrestre utilizam da transpiração a água transferida ou perdida pela vegetação para a atmosfera, para a circulação de fluidos em seu interior. A água
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primeiramente é absorvida pelas raízes e após circular pelo sistema condutor (raiz, caule e folha) é eliminada em forma de vapor na superfície, pequenos orifícios da superfície das folhas, decorrente das ações físicas e fisiológicas dos vegetais (estômatos), ou através de
pequenas perdas pelas lenticelas no caso das plantas lenhosas (ANGELOCCI et al., 2002;
MOREIRA et al.,2017;BELAN et al.,2017).
A transpiração é fundamental, mas deve ocorrer de modo a permitir a sobrevivência da planta, pois o excesso de perda d’água na forma de vapor pode matá-la. O fechamento
dos estômatos atua nesse sentido (ALVES et al.,2009).
A ET varia de acordo com o local, pois a disponibilidade de energia em radiação
solar (Saldo de Radiação - Rn) varia de acordo com a latitude. A altitude também interfere
na evapotranspiração, pois altera a temperatura do solo e a pressão atmosférica. Dentre outros fatores temos os elementos meteorológicos como vento (Velocidade do Vento - U ), umidade relativa (Umidade do Ar - U R), deficit de pressão de vapor (∆e), Temperatura do ar
( Tar); fatores da cultura como altura da cultura, coeficiente de rugosidade, tipo de manejo
(JUNIOR et al.,2009).
O grau de umidade relativa do ar atmosférico é a relação entre a quantidade de vapor de água aí presente e a quantidade de vapor de água no mesmo volume de ar se estivesse satu-rado de umidade. Essa grandeza é expressa em porcentagem. Quanto maior for a quantidade de vapor de água no ar atmosférico, tanto maior o grau de umidade e menor a intensidade de
evaporação (THOMAZINI,2015).
A elevação da temperatura tem influência direta na evaporação porque eleva o valor da pressão de saturação do vapor de água, permitindo que maiores quantidades de vapor de
água possam estar presentes no mesmo volume de ar, para o estado de saturação (
MEN-DONÇA; DANNI-OLIVEIRA,2017).
O vento atua no fenômeno da evaporação renovando o ar em contato com as massas de água ou com a vegetação, afastando do local as massas de ar que já tenham grau de
umidade elevado (DALTON,2007).
O calor radiante (Radiação Solar) fornecido pelo Sol constitui a energia motora para o próprio ciclo hidrológico.
A influência da pressão barométrica é pequena, só sendo apreciada para grandes vari-ações de altitude. Quanto maior a altitude, menor a pressão barométrica e maior a intensidade
de evaporação (SANTOS et al.,2011).
Além desses fatores, pode-se citar as influências inerentes à superfície evaporante, a saber: tamanho da superfície evaporante, estado da área vizinha, salinidade da água, umidade do solo, composição e textura do solo, etc.
Características da ET pode ser: Evapotranspiração de referência ETo;
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Evapotranspiração potencial (ET P) (SILVA,2015;SENTELHAS; ANGELOCCI,2009).
Evapotranspiração de referência: é a ET de uma extensa superfície vegetada com ve-getação rasteira (normalmente gramado), em crescimento ativo, cobrindo totalmente o solo, sem restrição hídrica e com ampla área de bordadura para evitar a advecção de calor sensível (H) de áreas adjacentes. Nesse caso, a ET depende apenas das variáveis meteorológicas, sendo portanto ETP uma variável meteorológica, que expressa o potencial de ET para as
condições meteorológicas vigentes (SENTELHAS; ANGELOCCI,2009).
Evapotranspiração de Cultura: é a ET de uma cultura em dada fase de seu desen-volvimento, sem restrição hídrica, em condições ótimas de crescimento e com ampla área
de bordadura para evitar a advecção de calor sensível (H) de áreas adjacentes. Assim ETc
depende das condições meteorológicas, expressas por meio da ETP (ou ETo), do tipo de
cultura (maior ou menor resistência à seca) e da área foliar. Como a área foliar da cultura
padrão é constante e a da cultura real varia, o valor de Kctambém irá variar (SENTELHAS;
ANGELOCCI,2009).
A estimativa da transpiração de frutíferas pode ser obtida ao estabelecer um modelo simplificado que relaciona a transpiração de uma cultura a partir da área foliar da planta e
da ETo no local de estudo (COELHO et al., 2000), sendo o método de Penman-Monteith
classificado como modelo padrão pela Organização das Nações Unidas para Agricultura e
Alimentação (FAO), o mais indicado para a determinação da ETo. Esta metodologia tem
sido empregada com eficácia em outras culturas perenes, como a macieira (FAVARIN et
al., 2002; FILHO et al., 2004) indicando que o seu uso em cajueiros pode se tornar uma
alternativa (SÉRVULO et al.,2016).
2.3
AUTOMAÇÃO PARA LISIMETRIA
Com o surgimento de novas tecnologias aplicadas na agricultura, a automação apresenta-se como uma ferramenta importante e confiável aplicada ao estudo lisimétrico para obtenção da ET.
Um sistema automatizado pode garantir o controle e a manutenção, através da tec-nologia da informação, e ao mesmo tempo fazer uma melhor utilização e preservação dos recursos naturais. A automação vem se tornando uma tecnologia muito importante na oti-mização de processos industriais e não industriais. A automatização de sistemas também se torna um fator econômico importante, um sistema bem regulado e supervisionado tem uma qualidade maior, evitando desperdícios de água e energia. A demanda por uma maior efi-ciência de sistemas automatizados busca uma melhor interação entre hardware e so f tware,
além da constante atualização de tecnologias (SILVA; LOPES,2015).
10
que podem ser aplicadas sobre um processo industrial ou não, com o objetivo de torná-lo mais eficiente através da maximização da produção com o menor consumo de energia, me-nor emissão de resíduos, com meme-nor um meme-nor índice da ação humana, melhores condições de segurança, tanto humana e material quanto das informações inerentes ao processo e com um menor custo possível. Então, pode-se pensar que a ação humana no processo é redu-zida, gerando assim, uma maior segurança aos trabalhadores, aos materiais e as informações
envolvidas no processo (EBERT; FLORIANI,2017).
A automação industrial é a aplicação de so f twares ou equipamentos específicos para operacionalizar uma máquina ou uma célula de produção, com o objetivo de aumentar a
eficiência e eficácia da organização (OLIVEIRA; RUPPENTHAL,2013).
Automação é o processo da seguinte sequência de operações com pouco ou nenhum trabalho humano, uso de equipamentos especializados e dispositivos que executam e con-trolam processos, ou seja, a automação é a utilização de sistemas de controle como seja o numérico, de lógica programável e outros sistemas, em conjunto com outros aplicativos de tecnologia da informação, para controlar equipamentos e processos, reduzindo a necessidade
de intervenção humana (MANCIO; SELLITTO,2017).
Em processos não automatizados, a padronização dos procedimentos depende ex-clusivamente das pessoas que o executam e as regras estabelecidas podem ser facilmente descumpridas.
Apenas em processos automatizados reduz gradualmente a necessidade de humanos e também dos seus requisitos sensoriais e mentais. Neste sentido é, possível termos indica-dores realmente confiáveis sobre o andamento do processo, tais como o tempo de ciclo, as atividades que são os gargalos, entre outros. A necessidade de automatizar atividades ocorre devido ao tempo gasto para realizá-las, que é maior do que se elas fossem programadas para
serem executadas por máquinas (SOUSA et al.,2015;CARNEIRO et al.,2017).
A conexão total entre o procedimento mapeado e o que está sendo executado, visto que o fluxo do processamento é a "linguagem de programação", isso aproxima os desenhistas (analistas de processos) dos desenvolvedores (analistas de sistemas).
A automação requer um esforço maior na implementação e deve-se escolher com sabedoria, quais processos e quais melhorias justificam esse esforço. A automação consiste em unir a automatização de processos manuais (como a reposição hídrica, etc . . . ) que são passíveis de erros, com a informática. Essa união permite criar soluções precisas e dinâmicas fazendo com que a metodologia economize tempo e consiga atender seus objetivos de forma rápida e com qualidade é, ao mesmo tempo, ele ao seu alcance, informações essenciais para a tomada de decisão do sistema (itens falta de água, horário de pico, verificação consumo
hídrico, etc . . . ) (FARIAS,2008).
11
tenha sucesso de eficiência e consequentemente segurança nos dados coletados. A auto-matização de um sistema pode ser realizada de diversas formas, pois há no mercado uma infinidade de dispositivos para este fim. É o caso dos data-logger da National Instruments, Campbell Scientific, Novus, entre outros, há também dispositivos portáteis, como no caso dos microcontroladores do tipo PIC (Pro-grammable Interrupt Controller), porém que ne-cessitam da construção dos circuitos eletrônicos. Disponibilidade do equipamento, o uso da
plataforma comercial Arduino surge como uma alternativa (MICHELS et al., 2015;
BEU-REN; MARTINS,2001).
2.3.1
Ferramentas computacionais
O trabalho utilizou-se de ferramentas computacionais em plataforma de sistema ope-racional LinuxMint, sendo os seguintes programas utilizados: Arduino, Fritzing.
O Arduino Mega 2560 pode ser programado com o so f tware do Arduino. O AT-mega2560 vem com o bootloader pré gravado o possibilita o envio de novos códigos sem o uso de um programador de hardware externo. Ele se comunica usando o protocolo original STK500. Você também pode suplantar o bootloader e programar o microcontrolador através do cabeçalho ICSP (In-Circuit Serial Programming).
Arduino é uma plataforma de computação open-source baseado em uma simples placa com entradas e saídas tanto digitais como analógicas. Possui um próprio ambiente de desenvolvimento que implementa a Linguagem C. Pode ser usado para desenvolver ob-jetos interativos autônomos ou pode ser conectado a um so f tware em seu computador (ex. Flash, Processing, MaxMSP). O Ambiente de desenvolvimento (IDE) open-souce pode ser obtido gratuitamente (atualmente disponível para MacOSX , Windows, e Linux).
Fritzing é um so f tware livre/open source para ajudar você a modelar circuitos usando Arduino, Raspberry PI, ou mesmo somente a matriz de contatos e alguns componentes ele-trônicos (Figura ??).
Além de permitir fazer bem mais rápido do que se desenhasse no papel e dar uma impressão visual bem mais fiel, ele automaticamente transforma o que você desenha nele num diagrama elétrico ou, melhor ainda, em um layout de PCB, permitindo que utilize seu projeto pra imprimir parte de circuito profissionalmente.
2.3.2
Placa eletrônica Arduino Mega 2560
Um ponto forte da plataforma Arduíno é a possibilidade de carregar o programa na memória da placa e deixá-lo executar sem a interface com computadores, garantindo assim, total independência e portabilidade. Uma grande comunidade tem surgido em torno da “tec-nologia Arduino”, disponibilizando centenas de programas livres para diferentes projetos.
12
Além disso, testes de precisão mostram que placas Arduino podem ser uma ferramenta de
baixo custo para projetos e laboratórios (D’AUSILIO,2012;KUBINOVA; SLEGR,2015).
A plataforma Arduino apresenta hardware de código fonte aberta com comunicação serial, USB, so f tware livre e de fácil operação. Utiliza microcontroladores da Atmel de 10 bits e componentes complementares que facilitam a programação e a interligação com outros circuitos. Está disponível comercialmente em diferentes modelos, possuindo de 14 a 54 pinos digitais de entrada e saída de dados, que podem ser utilizadas para aquisição de
dados ou controlar dispositivos (KAMOGAWA; MIRANDA,2013).
A proposta é realizar o desenvolvimento de um sistema em um microcontrolador Ar-duino Mega (Figura 5) juntamente com Ethernet Shield. Também pode ser estendido com a utilização de shields (escudos), que são placas de circuito que contêm outros dispositivos (por exemplo, receptores GPS, displays de LCD, módulos de Ethernet etc.) que você pode conectar à parte superior do seu Arduino para obter funcionalidades adicionais. Os shields também estendem os pinos (os lugares no seu Arduino que você pode usar para entrada ou saída de dados) até o topo de suas próprias placas de circuito e, assim, você continua a ter acesso a todos eles. O projeto será desenvolvido em uma IDE (Ambiente de
Desen-volvimento Integrado) própria utilizando a linguagem Wiring baseada em C/C++ (BERTO;
CAGLIARI,2017), (DINIZ et al.,2017).
É uma placa com microcontrolador ATMEGA 2560. Com 16 entradas analógicas, 4 UARTs (portas seriais de hardware), um oscilador de cristal de 16 MHz, uma conexão USB, uma entrada de alimentação e um botão de reset, em Anexo A - Diagrama de Pinos do Arduino Mega 2560 R3 na (Figura 24). Ele contém tudo o que é necessário para dar suporte ao microcontrolador, basta conectar a um computador com um cabo USB ou a uma fonte de
alimentação e já está pronto para começar (MONK,2017).
Alimentação: a placa pode operar com alimentação externa entre 6 e 20 volts. No entanto, se menos de 7 volts forem fornecidos, o pino de 5V pode fornecer menos de 5 volts e a placa pode ficar instável. Com mais de 12 volts o regulador de voltagem pode superaquecer
e danificar a placa, ou seja, a faixa recomendável é de 7 a 12 volts (ATZINGEN,2002).
Memória: o ATmega2560 tem 256 KB de memória f lash para armazenamento de código (dos quais 8 KB é usado para o bootloader), 8 KB de SRAM e 4 KB de EEPROM EEPROM - Eletrically Erasable Programmable Read Only Memory (que pode ser lido e escrito com a biblioteca EEPROM).
Entrada e Saída: cada um dos 54 pinos digitais do Mega (Figura 5) pode ser usado como entrada ou saída, usando as funções de pinMode(), digitalW rite(), e digitalRead(). Eles operam a 5 volts. Cada pino pode fornecer ou receber um máximo de 40 mA e possui
um resistor interno (desconectado por de f ault) de 20-50 KΩ (PINTO, 2017). Em adição
13
O Arduino Mega possui várias facilidades para se comunicar com um computador, com outro Arduino ou outro microcontrolador. Fornece quatro portas de comunicação serial UARTs para TTL (5 volts). Um chip FTDI FT232RL direciona uma destas portas para a conexão USB e os drivers FTDI (que acompanham o so f tware) fornecem uma porta COM virtual para so f twares no computador. Inclui um monitor serial que permite que dados simples de texto sejam enviados para a placa. Os LEDs RX e RT piscarão enquanto dados estiverem sendo transmitidos pelo chip FTDI e pela conexão USB ao computador (mas não
para comunicação serial nos pinos 0 e 1) (EVANS et al.,2013).
Figura 5: Placa Arduino Mega 2560 R3.
Fonte: (AL-KOFAHI et al., ) e (KURNIAWAN,2017)
Para realizar a programação do Arduino é preciso baixar a IDE (do inglês, Integrated Development Environment) que é o ambiente de desenvolvimento da plataforma, o arquivo pode ser baixado do site oficial https://www.arduino.cc/en/Main/Software não necessita fazer instalação apenas abrir o arquivo executável “arduino.exe”, é nesta IDE que escrevemos os programas que são chamados de sketches, compilamos utilizando o compilador que já vem na própria IDE e se estiver tudo certo carregamos (upload) o programa para dentro do microcontrolador através da porta USB para que se inicie a execução do programa. Há 5 guias principais na IDE Arduino: File (Arquivo); Edit (Editar); Sketch (verificar/compilar);
14
2.3.3
Interruptores de lâminas (Reed Switches)
Interruptores de lâminas estão separadas e nenhuma corrente pode circular através, operando como uma chave aberta, quando acontece uma aproximação de um imã permanente deste dispositivo, a ação do campo magnético faz com que as lâminas se magnetizem e com
isso se atraiam, unindo-se. Nestas condições, o contato elétrico é fechado (BADENAS et al.,
2017).
Boia sensor de nível (Figura 6) é um dispositivo usado para detectar o nível de líquido dentro de um tanque, ele pode acionar válvula solenóide, uma bomba, um indicador, um alarme, ou outro dispositivo.
Figura 6: Instalação interruptores de lâminas (Reed Switches).
Funciona como um micro switch, normal aberto ou normal fechado, baste definir a posição de instalação. Possui base roscada com porca para fixação em superfícies planas e borracha de vedação evitando o vazamento, ideal para líquidos e oleosos. Não funciona com sólidos.
Figura 7: Circuito de automação do Reed Switches.
2.3.4
Placa eletrônica relés (Relay Shields)
O Relay Shield (Figura 8), também conhecido como Shield Relé é um módulo eletrô-nico desenvolvido especialmente para aplicação junto aos microcontroladores Arduino Uno
15
e Arduino Mega (DREYER,2013).
Figura 8: Modelagem circuito placa Relay Shields 4 relés.
Constituído por 4 relés, possibilita o acionamento de 4 sistemas elétricos diferentes, sendo acionado por meio do Arduino. Cada canal é capaz de controlar um dispositivo de corrente alternada ou contínua, de até 3A, como, por exemplo, lâmpadas, portões eletrônicos,
ventiladores, válvula solenóide, etc (ALESSI,2017).
O fato de Shield Relé possuir formato de shield possibilita encaixe perfeito e rápido, contando com todos os componentes necessários para funcionamento imediato, evitando as intermináveis ligações e os emaranhados de fios junto aos projetos. Mais precisamente, o
ShieldRelé 5V 4 Canais (Figura 8) auxilia no desenvolvimento de casas futuristas (projetos
domóticos) onde é possível o acionamento de sistemas eletrônicos por meio de um aplicativo para smart phone, por exemplo.
Junto ao Shield Relé existem ainda uma série de bornes a parafuso, os quais são utilizados para as conexões elétricas. Entre os terminais encontra-se os conjuntos correspon-dentes a cada um (J1, J2, J3 e J4) (J = Jumpers), sendo que cada conjunto conta com outros 3 bornes, o NOx que é um pino normalmente aberto, o NCx que é um pino normalmente fechado e o COMx que é o comum. No Anexo B - Esquema Eletrônico Relay Shieldes na (Figura 25).
A alimentação de todo o sistema foi realizada utilizando uma fonte chaveada 9,0 Volts.
16
2.3.5
Válvulas solenóides
A válvula solenóide ¾" (Figura 9) rosca para mangueira ½" possui uma bobina em formato de cilíndrico que ao ser energizada ela produz uma força eletromagnética que irá
movimentar um embolo responsável por fechar ou abrir a válvula (SOUZA,2012).
Figura 9: Válvula solenóide.
Quando não energizado o embolo está obstruindo a passagem de líquido, quando acionado a bobina, o embolo se move, abrindo passagem para o líquido até que a válvula seja desenergizada.
2.3.6
Sensor de fluxo
O sensor de fluxo d’água (registro hidráulico digital) é um dispositivo de monitoriza-ção e medimonitoriza-ção de substâncias, normalmente de origem líquida ou gasosa, numa conduta ou
espaço aberto (COSTA,2008).
O sensor (Figura 10) é constituído por um corpo de plástico, um rotor, e um sensor de efeito Hall. Que está relacionado ao surgimento de uma diferença de potencial em um condutor elétrico, transversal ao fluxo de corrente e um campo magnético perpendicular à corrente. Quando a água fluir através do rotor, ele irá girar que influenciará diretamente na frequência de pulsos, e através desses pulsos que são entregues pelo sensor de efeito hall é
possível saber qual a sua vazão (JUNIOR; CABRAL,2015).
O princípio de funcionamento do sensor vazão de água (taxa de fluxo): 0,3 a 6 L/min, Modelo: YF-S402, é para tarefas de maior precisão.
17
Figura 10: Modelagem circuito sensor de fluxo.
Características:
- Tensão de funcionamento (trabalho): 5 ∼ 18 VDC; - Tensão de trabalho (mínima): 4.5V DC;
- Corrente máxima de trabalho: 15 mA (DC 5V);
- Capacidade de carga: 610 mA (DC 5V);
- Temperatura de operação (líquido):-25 ∼6 80;
- Faixa de umidade: 35 ∼ 90% RH;
- Umidade de armazenamento: 25 ∼ 95% RH;
- Pressão da água:6 0.8 MPa;
- Pressão máxima: 1.75 Mpa; - Extensão do fio: 15 cm; - Diâmetro do sensor: 34 mm;
- Diâmetro da entrada e da saída: ∼3.3 mm (interior) ∼7 mm (exterior);
- Diâmetro interno: 1.2 mm (½"); Frequência: F = 73 x Q (Q é L/min); Erro: +/- 2 L/min; Saída de pulso 4380 após fluir 1 L de água; Escala do fluxo: 1 ∼ 5 L/min;
- Dimensão conexão: G 1/4";
- Medida interna recomendada para o tubo de líquido 6 mm; - Dimensões totais (CxLxA): 58x35x27 mm;
- Peso: 27g;
- Instalar na vertical, ângulo de inclinação não deve ser superior a 5 graus; - A saída requer um resistor de pull up.
O esquema de funcionamento desse tipo de sensor, ao anexo C - Esquema Water Flow
Sensor Datasheetna (Figura 26), dentro existe uma pequena turbina que é movimentada pelo
fluido que passa por ele. A seta indica a direção do fluxo. As pás dessa turbina acionam um sensor de efeito hall que gera pulsos na saída a uma velocidade proporcional à velocidade
do fluxo (PREDOLIN,2017).
Taxas de pulsos: 450 pulsos por litro ou 0,45 pulso por mililitro; Frequência de pulso (Hz) = 7.5 ∗ fluxo (L/min), o que corresponde a um máximo de 7.5 ∗ 30 = 225 pulsos por
18
Com o evoluir da tecnologia apesar dos crescentes desenvolvimentos de diversos sensores de fluxo, o de área variável continua a comandar uma vasta gama de aplicações no mercado industrial. O mesmo possui diversas vantagens tais como, baixo custo, desempenho preciso e seguro, simplicidade e versatilidade inerente, disponível numa larga gama de metais
e plásticos e pode ser utilizado em aplicações que envolvam líquidos ou gases (COSTA,
2008).
2.3.7
Data e hora (Clock)
Este módulo Real Time Clock (RTC) (Figura 11) é desenvolvido com base no CI DS3231 que trabalha como um relógio em tempo real de alta precisão, sendo capaz de forne-cer informações de tempo/data para um controlador secundário através de comunicação I2C. Possui um excelente custo benefício para estudantes, hobbystas e profissionais iniciantes da área de eletrônica. É necessário um acompanhamento do momento em que se realizaram as medidas para se realizar uma adequada avaliação da evolução da erosão. Para isso foi preciso acoplar uma módulo de relógio que será responsável por fornecer a hora e a data de
cada medida. Para tal (Figura 11) foi escolhido o DS1307 (FILHO et al.,2016).
Figura 11: Placa Real Time Clock (RTC) (DS1307).
Esse dispositivo é um relógio de tempo real com comunicação serial, consome baixa potência, trabalha com sistema numérico BCD (Binary-Coded Decimal – Decimal Codifi-cado em Binário). Os dados são transmitidos serialmente através do protocolo I2C de forma bidirecional. Fornece: segundos, minutos, horas, dia, dia da semana, mês e ano incluindo a
correção de meses com menos de 31 dias e anos bissextos (OLIVEIRA,2016). Pode operar
como relógio de 24 horas ou de 12 horas com indicador AM/PM. Além disso conta com um sistema capaz de detectar falhas na alimentação e muda automaticamente para um modo de alimentação reserva que pode ser uma bateria ou pilha sem perder as informações de data e
hora consumindo menos de 500 nA (CAETANO,2013).
O registro do horário no monitoramento da temperatura (Figura 12) em um sistema de automação é de grande importância, visto que se conhece a influência da temperatura ambiente no comportamento da temperatura do ambiente da cultura. A forma mais prática
19
de garantir o referencial de tempo do sistema de aquisição de dados é por meio da utilização
de sistema de RTC empregando o circuito integrado DS1307 (Figura 11 (LOPES,2012).
2.3.8
Componente módulo Temperatura e Umidade
Figura 12: Sensor temperatura e umidade.
Fonte: https://www.letscontrolit.com/wiki/index.php/File:DHT22.png e http://quantum.opticsolomouc.org/archives/1798 Acesso em 13, ago.2017
Sinal digital calibrado de saída do sensor de temperatura e umidade - DHT22 (AM2303) (Figura 12). Utiliza tecnologia exclusiva de coleta de sinal digital e tecnologia de detecção de umidade, assegurando sua confiabilidade e estabilidade. Seus elementos sensores estão conectados com um computador de 1 bit de 8 bits. Todo sensor deste modelo é compensado e calibrado em câmara de calibração precisa e o coeficiente de calibração é salvo no tipo de programa na memória OTP, quando o sensor está detectando, ele irá citar o coeficiente da memória. Tamanho pequeno e baixo consumo e longa distância de transmissão (20 metros) permitem que o sensor de temperatura e umidade seja adequado em todos os tipos de oca-siões difíceis de aplicação. Uma linha empacotada com quatro pinos, tornando a conexão
muito conveniente (LIMA,2006).
O sistema de aquisição dos dados foi constituído por um módulo a placa Arduino, e na etapa de desenvolvimento, para a conexão dos componentes periféricos, foi utilizado uma
placa auxiliar, proporcionando maior robustez ao sistema (MATOS,2015).
Figura 13: Modelagem circuito sensor temperatura e umidade.
Após a leitura do sensor, com os dados de temperatura e umidade, consegui-se cal-cular a sensação térmica (Pressão).
20
2.3.9
Armazenamento dos dados
O armazenamento de dados coletados dos sensores podem ser realizado pelo envio, por meio de shield wi-fi, para uma unidade de armazenamento remoto ou nuvem, armaze-namento na memória EEPROM do microcontrolador da placa Arduino ou em dispositivos
ligados à placa (Figura 14), como por exemplo, um cartão de memória (ABDALLA,2015).
A utilização do armazenamento por meio do cartão de memória - mini cartão (SD-Card) apresenta vantagens em relação ao envio por wi-fi devido à maior simplicidade da construção e possibilidade de utilização em locais onde o sinal de wi-fi não é disponível. Quando comparado ao armazenamento na memória EEPROM o emprego do cartão de me-mória apresenta capacidade superior e número de gravações ilimitado, diferente da meme-mória,
que apresenta limite de gravações (de 100 mil a 1 milhão) (CASAIS,2014).
Figura 14: Placa SDCard Shield V4.1.
2.3.10
Placa eletrônica de comunicação (GSM Shield V2-CE0700)
O Arduino GSM Global System for Mobile Communications Shield V2 (Figura 15) permite que o seu painel Arduino faça chamadas telefônicas, envie SMS (Short Message Service, que em português significa Serviço de Mensagens Curtas) e conecte-se à Internet.
Realize chamadas telefônicas, envio de mensagens curtas, conecte o seu Arduino à internet e faça muito mais com o Arduino GSM GPRS General Packet Radio Services Shield. Com esse shield você pode enviar alertas informando o estado de um sensor ou sistema de alarmes, realizar chamadas telefônicas sem precisar de um celular ou automatizar algum processo existente e que envolva telefonia celular.
21
Figura 15: Placa de comunicação.
Esta placa é Quad-Band (850/900/1800/1900 Mhz) - QUECTEL M10, além das cha-madas de voz e envio de mensagens curtas, como também suporta serviços de internet e f ax. Funciona tanto com o Arduino Uno e Mega como também com outras placas que te-nham a pinagem padrão. Funciona basicamente com uma série de comandos AT, verificar a qualidade do sinal e modificar muitos outros parâmetros. Quem faz tudo isso é a biblioteca
GSM-GPRS-GPS-Shield (MONK,2017).
O AT Command Set, em português conjunto de comandos AT, designa uma lingua-gem de comandos para modems que foi desenvolvida pela Hayes e que posteriormente se tornou um padrão na indústria. O conjunto de linguagem de comandos com uma série de cadeias de texto curtas, que se combinam para emitir comandos completos para diferentes operações, como desligar o telefone e alterar os parâmetros de conexão para os modems. A maioria dos modems de computadores pessoais seguem as especificações. Este termo tam-bém é conhecido como conjunto de comandos Hayes. As definições básicas do Hayes (in-cluindo o prefixo AT, que significava "atenção") estão presentes nas linguagens de comando de muitos aparelhos modernos, incluindo vários periféricos de computadores.
Para que o shield GSM funcione corretamente, certifique-se de que o seu cartão SIM esteja desbloqueado, e com créditos suficientes. Que pode aceitar os módulos do Simcom SIM900 (funcionalidade GSM/GPRS) e SIM928 (funcionalidade GSM/GPRS e GPS). A disponibilidade da nova biblioteca GSM/GPRS e GPS permite uma grande flexibilidade. Por exemplo, é possível ler uma mensagem de texto recebida ou iniciar uma chamada e fazer
todas as outras operações realizadas por um telefone celular padrão (TATEOKI et al.,2007).
O escudo inclui um capacitor alto dedicado ao relógio de tempo real, permite manter atualizado o tempo mesmo na ausência de energia principal. O circuito funciona com uma tensão de alimentação de 12 V fornecida diretamente da placa Arduino. Um conector para conectar uma bateria externa de lítio recarregável somente com SIM928: o módulo incorpora um circuito de carga dedicado. A tensão necessária é tirada diretamente da placa Arduino
Capítulo 3
MATERIAL E MÉTODOS
3.1
DESCRIÇÃO DO LOCAL DE ESTUDO
Este estudo de pesquisa foi desenvolvido no município de Cuiabá/Mato Grosso/Brasil,
que está situado entre as coordenadas geográficas de Latitude: 15o35’ 46"S e Longitude: 56o
05’ 48"W, na região central do Brasil.
Figura 16: Mapas da América do Sul - Brasil, Mato Grosso - Cuiabá.
O clima é do tipo Aw de Köppen, correspondendo a verões chuvosos e invernos secos, classificado como Tropical semiúmido, com quatro a cinco meses secos (maio a setembro)
e máximas diárias de temperatura que oscilam entre 30 e 36oC, apresentando duas estações
bem definidas, uma seca (outono - inverno) e uma chuvosa (primavera - verão) (CALLEJAS,
2012).
A pesquisa foi desenvolvida no Laboratório de Análise e Modelagem Ambiental (LAMA) no ambiente foi consolidado e implementado á automação para lisímetros.
23
3.2
AUTOMAÇÃO PARA MEDIÇÃO HÍDRICA
Para a criação do protótipo de automação, foi necessário o estudo e aplicação com tec-nologia Arduíno, para realizar a leitura dos sensores de fluxo, acionamento através de boias (Reed Switch, inferior e superior), ativar a válvula solenóide do controle de fluxo abrindo e fechando, quando operando através de Relay Shields, registrar o consumo hídrico (hidrô-metro digital, através pulso do fluxo d’água) e para armazenamento dos dados mini cartão
SDCarde transmissão de dados a distância.
A instalação dos canos hidráulicos em PVC (Figura 17), foram utilizados com cone-xões coláveis, e com roscas; não houve vazamentos na tubulação após liberação da água.
Na instalação elétrica, também com cuidados necessários, foram verificados e não constaram problemas com uso da energia de 110 Volts.
Nas instalações de condução lógica entre o equipamento Arduino Mega 2560 e os componentes, utilizado fios de cabo par trançado.
Instalando-se a parte hidráulica:
- Registro de abertura e fechamento d’água. - Hidrômetro analógico e sensor de fluxo.
- Utilizados canos em PVC, cotovelos, conexões T. - Veda rosca para vedação das conexões com rosca. - Cola para canos PVC, nas conexões lisas para colagem.
- Utilizado uma estrutura metálica para suportar a instalação dos canos PVC.
Figura 17: Depósito d’água para lisímetro lençol freático constante.
Também foi projetado e instalado a parte elétrica do sistema: - Utilizando carga elétrica de 110 Volts
24
- Fios elétricos ligados a placa Relay Shields (Figura 8)
- Fios elétricos da placa Relay Shields (Figura 8) para as válvulas solenóides (Figura 9) de cada lisímetro.
- Adaptador de voltagem 9 Volts, e ligado a placa Arduino
Em seguida foi elaborado a automação para lisímetro de lençol freático constante: - Placa Arduino Mega 2560 (Figura 5)
- Placa SDCard com mini cartão de memória (Figura 14)
- Placa eletrônica mensagens curtas para transmissão de dados a longa distância (Fi-gura 15)
- Placa Relay Shields (Figura 8)
- Placa auxiliar tempo e data (Figura 11) - Módulo temperatura e umidade (Figura 12) - e resistores
Figura 18: Módulo de placas consolidadas com Arduino Mega 2560.
3.3
CALIBRAÇÃO
Para efetuar a calibração do coeficiente dos pulso do sensor de fluxo na automação para lisímetro de lençol freático constante foram estabelecido nível de leitura em teste no período nas faixas: 100 mL, 250 mL, 500 mL, 750 mL e 1000 mL e uma faixa de leitura ale-atória abaixo de 100 mL até 1000 mL (Figura 19); em cada faixa de referência foi analisado os dados em pulsos gerado pelo sistema, massa de água (g), e das leituras em hidrômetro analógico. Os dados coletados pela automação e mais os observados externamente foram apreciados por rotinas desenvolvidas no ambiente estatístico. Determinou uma relação, por meio das respectivas regressões lineares, entre dados coletados no abastecimento automática para o depósito hídrico. A relação entre a grandeza de entrada de um sistema de medição e a sua resposta saída pode ser expresso por meio de uma equação de regressão linear.
25
A fim de avaliar o funcionamento do fluxo d’água, para medir a água de abasteci-mento ao depósito, era necessário um medidor de fluxo de precisão e de baixo volume, uma vez que o abastecimento é feito com medidas em mL, para efetuar a calibração dos pulso do sensor de fluxo d’água (Figura 10).
Figura 19: Recipientes provetas averiguando massa de água (g).
O sensor de fluxo vazão de turbina (Mode: YF-S402) foi selecionado pois fornece uma saída típica em pulsos por litro (cada sensor é fornecido com seu próprio fator K cali-brado). Taxas de fluxo entre 0,3 - 6 L/min, com uma precisão de 1%.
No rotor de pás o elemento móvel toma a forma de um rotor com várias pás montadas no eixo vertical e associadas num cilindro. Quando o sensor é de apenas um impulso, o líquido é injetado para dentro da câmara tangencialmente, saindo diametralmente. Neste caso a velocidade de rotação é determinada pela velocidade do líquido e pelas características do rotor.
Para a calibração tomou-se posse do empirismo, medindo os abastecimentos em rela-ção aos preenchimentos de determinadas quantidades líquidas, pré estabelecidas. Os dados foram submetidos a uma série de técnicas de análise que permitiram determinar com rigor a calibração.
O sensor consiste de uma carcaça plástica, um rotor e um sensor de efeito Hall. Conforme o fluxo de água passa pela câmara, faz movimentar as pás acopladas ao rotor. A medida com que a vazão de água aumenta, a velocidade com que o rotor gira aumenta proporcionalmente. O sensor de efeito Hall detecta quando o rotor com as pás completa um giro, assim que essa volta completa é detectada, envia um pulso de 5V no cabo de saída. Há um sensor de efeito Hall magnético integrado que gera um pulso elétrico, e é vedada a partir da tubulação de água e permite ficar seguro e seco.
Para o seu correto funcionamento, foi preciso determinar as suas características quanto à razão do número de voltas (ou pulsos) por litro.
26
5∼24VDC), preto (terra) e amarelo (efeito de Hall de saída de pulso). Ao contar os impulsos a partir da saída do sensor, pode facilmente calcular o fluxo de água, e cada pulso é de aproximadamente 2,25 mL de líquido que passou. Este não é um sensor de precisão, e a taxa de pulso faz variar um pouco dependendo da taxa de fluxo, pressão de fluido e orientação do sensor. Ele vai precisar de uma calibração rigorosa.
O sinal de pulso é uma onda quadrada simples para o seu uso fácil para registrar e converter em litros por minuto (Equação 1):
taxa f luxo(L/min) = f requenciapulsos
7.5 (1)
Exemplo de programa utilizado em Arduino. If a plastic sensor use the following
calculationSensor Frequency (Hz) = 7.5 * Q (Liters/min)
Liters = Q * time elapsed (seconds) / 60 (seconds/minute)
Liters = (Frequency (Pulses/second) / 7.5) * time elapsed (seconds) / 60 Liters = Pulses / (7.5 * 60)
Para medição sensor de fluxo ou vazão de água 1/2 na faixa de vazão: 1 ∼ 30 L/min, cada pulso é de cerca 3,33 mL, (Equação 2):
f requenciaPulsos(Hz) =taxaFluxo(L/min)
5 (2)
Através da contagem desses pulsos a conversão para fluxo (L/min) é realizada utilizando-se (Equação 3):
f luxo= pulsosContados
f atorCalibracao (3)
A variável “fatorCalibração” foi obtida experimentalmente através do uso de recipi-entes calibrados em mL.
3.4
OBTENÇÃO DOS DADOS DIGITAIS
A programação deve ser feita de forma a possibilitar que o operador visualize falhas no sistema de forma rápida e simples. Os dados coletados devem ser gravados no cartão de memória e simultaneamente impressos através da porta serial, conectada à saída USB da placa. Isso permite que através do monitor da IDE de programação do Arduino ou outro programa de terminal, os dados sejam visualizados possibilitando averiguar calibração sem a necessidade da remoção do cartão memória.
Durante os testes foi habilitado o sistema Serial no Arduino Mega 2560 para visuali-zação instantâneas durante os testes.
27
Para a obtenção dos dados digitais, foram instaladas na área experimental do labora-tório dois métodos, pelo processo de gravação em mini cartão SDCard (Figura 14) e envio de mensagem curtas através de SMS (Figura 15).
Os dados foram coletados a cada ações de abastecimento através dos acionamentos interruptores de lâminas (Reed Switch) (Figura 6).
A metodologia para a coleta de dados consistiu na definição de automação na ne-cessidade de abastecimento do depósito hídrico conforme posição do Reed Switch de cada lisímetro.
O firmware deve ser programado de forma a criar arquivos de armazenamento de dados no cartão de memória. Esses podem ser do tipo arquivo de texto (txt) ou arquivo (csv) facilmente aberto em software de edição para banco de dados como o pacote livre LibreOffice.
Testes utilizou-se cartão de 4 gigabytes em capacidade, foram realizados e demons-traram o funcionamento adequado. O armazenamento dos dados foi realizado em um cartão de memória (Figura 14) empregando um shield Micro SD. Este utiliza tensão de 3,3V, que pode ser utilizada da própria placa Arduino. O shield Micro SD apresenta divisor de tensão interno permitindo que a comunicação com a placa Arduino seja feita diretamente sem a necessidade de conversores de nível lógico.
Para o estudo, ainda foram feitas medições de temperatura e umidade do transectos para cada acionamento de abastecimento hídrico no depósito.
Figura 20: Leitura de dados feita pelo sistema.
Para gravação dos dados seguiu e seguinte ordem: data; hora do inicio; válvula sole-nóide acionada; umidade do ar; temperatura do ar e calculado (pressão do ar); volume d’água em mL; hora final do processo.
Para concepção do código de programa a escrita e a compilação do algoritmo de con-trole foram realizadas utilizando o ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) do Arduino (Figura ??), um so f tware livre baseado em linguagem C++, (Anexo D). A implementação do código fonte utilizando bibliotecas desenvolvidas especificamente para o shield facilitou a programação, muitas dessas já disponibilizadas na IDE, ou disponíveis para download no
28
site do fabricante (RANGEL; SILVA,2016).
A lógica de programação é representada de inúmeras formas, os mais famosos tipos de representação são o Pseudocódigo, em que colocamos em ordem lógica de acontecimento as ações dos programas, o Diagrama de Chapin, método não muito usado para representar algoritmos e por fim temos o Fluxograma (Figura 21), para representar o fluxo de dados do algoritmo.
Capítulo 4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Mas um processo de calibração abrangente é necessário para cada espécie particular de cultura. No entanto, os lisímetros de pesagem podem ser usados para determinar direta-mente o ETc (anteriordireta-mente fazendo uma calibração e validação do equipamento) e assim, estabelecer a quantidade exata de água necessária para uma cultura. Como os dados obtidos dos lisímetros de pesagem são mais precisos e confiáveis, estes são frequentemente utilizados
para validar dados obtidos com outros métodos (JIMÉNEZ-CARVAJAL et al.,2017).
O fator de calibração do sensor de fluxo d’água foi obtido entre os dados gerados pelo sensor pulso de fluxo (Hz) e pela massa d’água (g) (Figura 22).
Analisando os dados coletados para calibração, encontrou-se como resultado a
equa-ção (Y = 0,24 X), com o coeficiente de determinaequa-ção (R2) de aproximadamente 0,99, sendo
satisfatório a equação.
Figura 22: Regressão linear de massa de água (g) X pulso do sensor de fluxo (Hz).
30
Utilizou-se dos dados e recorrendo a (Equação 4) para verificar o erro médio.
ERRO= ((valorMedido − valorReal)/valorReal).100[%] (4)
Onde: valorMedido é massa de água (mL), e valorReal é pulso do sensor de fluxo (mL).
Com referência aos dados coletados, a análise dos erros do modelo (Equação 4) foi encontrado erro médio menor que 1% ao sistema de massa de água (g) x pulso do sensor de fluxo (Hz) para o coeficiente de fator calibração.
Para medir a água de irrigação, era necessário um medidor de fluxo alta precisão de baixa distância, uma vez que a irrigação era feita com dois emissores compensados 2L/h (o fluxo de irrigação era de 0,06L/min). O sensor de fluxo de turbina Equflow 0045PHP01 foi selecionado pois fornece uma saída típica de 100.000 pulsos por litro (cada sensor é fornecido com seu próprio fator K calibrado). Isso dá uma resolução de 10 L/pulso para taxas de fluxo entre 0,03 a 2 L/min, com uma precisão de 1%. Foram utilizadas duas eletroválvulas
motorizadas controladas por tensão de 5 V para esvaziar o tanque de drenagem (
JIMÉNEZ-CARVAJAL et al.,2017).
Do mesmo modo que aos dados coletados, analisando os dados de massa de água (g) x volume hidrômetro (mL) para coeficiente de fator calibração (Figura 23). Encontrou-se
como resultado a equação (Y = 0,94 X), com o coeficiente de determinação (R2) de
aproxi-madamente 0,99, sendo convincente a equação.
Figura 23: Regressão linear de massa de água (g) x volume hidrômetro (mL).
Na equação onde valorMedido é massa de água (mL), e valorReal é volume hidrô-metro (mL).
31
Confrontando-se os resultados dos erros que compara a medida massa de água (g) com o volume hidrômetro (Equação 4) encontrou-se um erro médio de 24,70% mostrando que o resultado encontrado com o hidrômetro significou diferença plausível ao sistema auto-matizado.
As células de carga foram calibradas usando a eletrônica projetada e as linhas de regressão foram obtidas para todos eles aumentando e diminuindo o peso em toda a sua faixa
em seis pontos, já que este método demonstrou ser o mais preciso (JIMÉNEZ-CARVAJAL
et al.,2017).
Utilizando-se análise de regressão linear, nas condições do desenvolvimento deste trabalho, sendo que os dados de coletas: massa de água (g), pulso do sensor de fluxo (Hz) pelo sistema, volume hidrômetro (mL) e volume proveta (mL), mostrou-se realizável a aná-lise com o pulso do sensor de fluxo (Hz) do protótipo da automação para lisímetro de lençol freático constante.
