Micro estação meteorológica para vinhas

Micro Esta¸c˜

ao Meteorol´

ogica para Vinhas

Por

Francisco Eduardo Gomes Baptista Cordeiro

Orientador: Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva

Co-orientador: Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o

74/2006 de 24 de Mar¸co com as altera¸c˜oes introduzidas pelos Decretos-Leis n.o 107/2008, de 25 de Junho, e 230/2009, de 14 de Setembro, e demais legisla¸c˜ao

aplic´avel e no Regulamento de Ciclo de Estudos Conducente ao Grau Mestre da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

DR, 2.a

s´erie – n.o

Micro Esta¸c˜

ao Meteorol´

ogica para Vinhas

Por

Francisco Eduardo Gomes Baptista Cordeiro

Orientador: Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva

Co-orientador: Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o

74/2006 de 24 de Mar¸co com as altera¸c˜oes introduzidas pelos Decretos-Leis n.o 107/2008, de 25 de Junho, e 230/2009, de 14 de Setembro, e demais legisla¸c˜ao

aplic´avel e no Regulamento de Ciclo de Estudos Conducente ao Grau Mestre da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

DR, 2.a

s´erie – n.o

Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :

Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva Professor Auxiliar do

Departamento de Engenharias Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio Professor Associado com Agrega¸c˜ao do

Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Este trabalho foi financiado por Fundos FEDER atrav´es do Programa Operacional Factores de Competitividade — COMPETE e por Fundos Nacionais atrav´es da FCT— Funda¸c˜ao para a Ciˆencia e a Tecnologia no ˆambito do projeto n.o

FCOMP-01-0124-FEDER-019598 (Refa

. FCT PTDC/AGR-PRO/120264/2010).

Micro Esta¸c˜ao Meteorol´ogica para Vinhas

Submetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de

Mestre em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores

Resumo — Devido `a crescente necessidade de uma maior efic´acia na vinha, torna-se evidente a necessidade de sistemas que forne¸cam informa¸c˜oes estorna-senciais para o melhoramento na produ¸c˜ao da uva.

Com a escassez de dados meteorol´ogicos localizados da vinha, ´e necess´ario a uti-liza¸c˜ao de um mecanismo tecnol´ogico de o apoio `a decis˜ao, para o sector da viticul-tura.

O objetivo deste trabalho ´e implementar uma Micro Esta¸c˜ao Meteorol´ogica para Vinhas, que seja capaz de adquirir os dados dos v´arios sensores que est˜ao conectados e os envie para um computador central, para que sejam posteriormente consultados e analisados pelo respons´avel da vinha.

Esta Micro Esta¸c˜ao Meteorol´ogica possui comunica¸c˜oes atrav´es de tecnologia RSSF e ´e aut´onomo ao n´ıvel energ´etico, pois ´e alimentada atrav´es de um painel fotovol-taico. A evolu¸c˜ao da tecnologia dos microcontroladores, muito contribu´ıram para possibilitar a cria¸c˜ao de sistemas deste tipo, robustos e fi´aveis.

O sistema desenvolvido utiliza o padr˜ao IEEE802.15.4 para a comunica¸c˜ao com o sistema central. Este padr˜ao ´e dos mais utilizados em RSSF.

Palavras Chave: Micro Esta¸c˜ao meteorol´ogica para vinhas, sensores, RSSF , mi-crocontroladores,IEEE802.15.4.

Micro Weather Station for Vineyards

Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering and Computers

Abstract — Due to the growing need for greater efficiency in the vineyard, it becomes evident the need for systems that provide essential information for the improvement of grape production.

With the scarcity of localized weather data of vineyards, the use of technologic solutions to support the decision making process is needed for the viticulture sector. The objective of this work is to implement a Micro weather Station for Cineyards, able of acquiring data from several sensors and then send it to a central computer, for later visualisation and analysis by the manager of the vineyard.

This Micro Weather Station uses a WSN for communications, and it is self powered. It uses a solar panel. The evolution of microcontrollers greatly contributed to enable the creation of systems of this type, with robustness and high level of reliability. The developed system uses standard communications to send data to the central system. This standard is IEEE802.15.4 which is the most used protocol in WSN. Key Words: Micro Weather Station for Vineyards, sensors, WSN , Microcontrol-lers, IEEE802.15.4.

Agradecimentos

Agrade¸co aos orientadores, Professor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva e ao Pro-fessor Carlos Manuel Jos´e Alves Ser´odio, pela paciˆencia, e disponibilidade, com-panheirismo e pela ajuda na execu¸c˜ao deste trabalho onde partilharam ideias, e sugest˜oes e material.

Aos meus pais e irm˜as e cunhados, pela ajuda que me prestaram ao longo da vida acad´emica.

´Indice geral

FCT vii

Resumo viii

Abstract ix

Agradecimentos xi

´Indice de tabelas xvii

´Indice de figuras xix

Lista de Acr´onimos xxiii

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Motiva¸c˜ao . . . 1

1.2 Objetivos . . . 2

1.3 Organiza¸c˜ao da Disserta¸c˜ao . . . 3

2 Redes Sensores Sem Fios 5 2.1 Norma IEEE 802.15.4. . . 6 2.2 ZigBee . . . 9 2.3 Norma IEEE 802.15.1. . . 10 2.4 Norma IEEE 802.15.3. . . 14 2.5 Norma IEEE 802.11 . . . 16 xiii

3 Sensores para Aplica¸c˜oes Agr´ıcolas 21

3.1 Sensores de temperatura . . . 22

3.1.1 Termoel´etricos (Termopares) . . . 22

3.1.2 RTD . . . 24

3.1.3 Termistores . . . 26

3.1.4 Sensores de Temperatura em Circuito Integrado . . . 27

3.2 Sensores de Humidade do Ar . . . 28

3.2.1 Sensores de Humidade Capacitivos . . . 28

3.2.2 Sensores de Humidade Resistivo . . . 29

3.3 Sensores de Humidade do Solo . . . 29

3.3.1 Tensi´ometros . . . 30 3.3.2 Psicr´ometros Solo . . . 31 3.3.3 Sonda Neutr˜oes . . . 32 3.3.4 TDR . . . 33 3.3.5 Capacitivo e FDR . . . 34 3.3.6 Impedˆancia . . . 35 3.3.7 Fase Na Transmiss˜ao . . . 36 3.3.8 TDT . . . 37 3.3.9 Bloco de Gesso . . . 38 3.3.10 GMS . . . 39 3.3.11 Dissipa¸c˜ao do Calor. . . 40 3.4 Sensores de Luminosidade . . . 40 3.4.1 C´elula Foto-Condutora . . . 41 3.4.2 Dispositivo Foto-Jun¸c˜ao . . . 41

3.5 Sensores de Fluxo de Seiva . . . 42

3.6 Dendr´ometros . . . 43

4 Conce¸c˜ao 45 4.1 Transmiss˜ao de Dados . . . 46

4.2 Sistema Processamento e Recolha de Dados . . . 47

4.3 Gest˜ao de Energia. . . 48

4.4 Sensores . . . 48

5 Implementa¸c˜ao 49 5.1 Unidade Central de Processamento . . . 50

5.1.1 Especifica¸c˜ao do Microcontrolador. . . 51

5.2 M´odulo de Aquisi¸c˜ao de Dados . . . 53

5.2.1 Sensores Anal´ogicos. . . 53

5.2.2 Sensores Digitais . . . 56

5.2.3 Sensores utilizados neste trabalho . . . 57 xiv

5.3 M´odulo de Comunica¸c˜ao . . . 57

5.4 M´odulo de Alimenta¸c˜ao . . . 59

5.5 Firmware - da unidade central de processamento. . . 60

5.5.1 main.c . . . 61

5.5.2 hardware.h . . . 62

5.5.3 hardware.c . . . 65

5.5.4 ADC.c . . . 69

5.5.5 SERIAL.c . . . 73

6 Testes, Resultados Conclus˜ao 75 Referˆencias bibliogr´aficas 79 A Anexos 85 A.1 Hardware.h . . . 85 A.2 hardware.c . . . 86 A.3 ADC.c . . . 86 A.4 SERIAL.c . . . 87 xv

´Indice de tabelas

2.1 Modulation Class . . . 19

3.1 Tabela: Coeficientes de Calllendar-Van Dussen . . . 25

5.1 Fun¸c˜oes atribu´ıdas aos pinos do microcontrolador PIC. . . 52

6.1 Tabela: Valores de tens˜ao (VIN0) . . . 77

6.2 Tabela: Valores de corrente (IIN0) . . . 78

´Indice de figuras

2.1 Arquitetura da LR-WPAN. . . 6

2.2 Topologia estrela e peer-to-peer. . . 8

2.3 Arquitetura do protocolo ZigBee. . . 9

2.4 Arquitetura da norma IEEE 802.15.1. . . 12

2.5 Arquitetura da data transport. . . 12

2.6 Piconets conex˜ao ponto a ponto.. . . 13

2.7 O modelo de referˆencia usado na norma IEEE 802.15.3. . . 15

2.8 Elementos piconet IEEE 802.15.3 . . . 16

2.9 Modelo referˆencia 802.11.. . . 17

2.10 Arquitetura MAC. . . 18

3.1 Curvas carater´ısticas dos sensores de temperatura. . . 22

3.2 Circuito do termopar.. . . 22

3.3 RTD do tipo Wire wound. . . 24

3.4 RTD do tipo Thin film. . . 24

3.5 Estrutura do sensor humidade capacitivo.. . . 28

3.6 Estrutura do sensor humidade resistivo. . . 29

3.7 Tensi´ometro.. . . 30 xix

3.8 Psicr´ometros Solo. . . 31 3.9 Sonda Neutr˜oes. . . 32 3.10 TDR.. . . 33 3.11 Sondas FD. . . 34 3.12 Sensor de Impedˆancia. . . 35 3.13 Fase Transmiss˜ao. . . 36 3.14 TDT.. . . 37 3.15 Bloco de gesso. . . 38 3.16 GMS . . . 39 3.17 Dissipa¸c˜ao de calor. . . 40 3.18 LDR. . . 41 3.19 Foto-D´ıodo. . . 41 3.20 Foto-Trans´ıstor. . . 42 3.21 Sensor Seiva. . . 43

4.1 Cen´ario da implementa¸c˜ao da Micro Esta¸c˜ao Meteorol´ogica na vinha. 45 4.2 Diagrama de Blocos da Micro Esta¸c˜ao Meteorol´ogica para vinha.. . . 46

4.3 Diagrama de Blocos do sistema de aquisi¸c˜ao de dados. . . 47

5.1 Liga¸c˜oes da Unidade central de processamento. . . 51

5.2 Esquem´atico do circuito tens˜oes de referˆencia. . . 53

5.3 Esquem´atico circuito de multiplexagem dos sensores de tens˜ao. . . 54

5.4 Esquem´atico circuito de multiplexagem dos sensores de corrente. . . . 55

5.5 Esquem´atico circuito de multiplexagem dos sensores digitais. . . 56

5.6 Liga¸c˜oes do m´odulo tranceiver XBEE-PRO. . . 57

5.7 Diagrama de blocos do m´odulo de alimenta¸c˜ao. . . 59

5.8 Configura¸c˜ao do oscilador. . . 66

5.9 Diagrama blocos do TIMER0. . . 67

5.10 Diagrama blocos do TIMER1. . . 68

5.11 Diagrama blocos da ADC. . . 70

5.12 Diagrama da fun¸c˜ao readVoltageChannel. . . 71

5.13 Diagrama da fun¸c˜ao readCurrentChannel. . . 72 xx

5.14 Diagrama da transmiss˜ao da porta s´erie. . . 73

5.15 Diagrama da rece¸c˜ao da porta s´erie. . . 74

6.1 Micro Esta¸c˜ao Meteorol´ogica para vinhas. . . 75

6.2 Debug do projeto. . . 76

6.3 Teste do TIMER0. . . 78

6.4 Teste do TIMER1. . . 78

Lista de Acr´

onimos

Lista de Acr´

onimos

Sigla Expans˜ao

ADC Analog-to-Digital-Converter

ANSI American National Standards Institute APL Application Layer

APS Application Support sub-layer ASK Amplitude Shift Keying BPSK Binary Phase Shift Keying BPM Burst Position Modulaion CAP Contention Acess Period CA corrente alternada

CCA Clear Channel Assessment

CLK Clock

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Acess Collision Avoidance CSS Chirp Spread Spectrum

CTAP Channel Time Allocation Period xxiii

Sigla Expans˜ao

DCF Distributed Coordinator Function

DEV Device

DIN Data IN

DLL Data Link Layer

DME Device Management Entity

DOUT Data OUT

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying

ED Energy Detection

EEPROM Electrically Erasable Read Only Memory

FD Frequency Domain

FDR Frequency Domain Reflectometry FFD Full Function Device

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum GAP Generic Access Profile

GFSK Gausian Frequency Shift Keying GMS Granular Matrix Sensore

GTS Guaranteed Time Slots HCI Host Controller Interface HCF Hybrid Coordinator Function Hop/s Hop per second

HR/DSSS High Rate Direct Sequence Spread Spectrum IC Integrated Circuit

ICSP In Circuit Serial Programing

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc. IR-UWB Impulse Radio - UWB

ISM Industrial Science Medical

Sigla Expans˜ao

LAN Local Area Network LCP Link Control Protocol

L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol LDR Light Dependent Resistor

LMP Link Manager Protocol LQI Link Quality Indication

LR-WPAN Low Rate -Wireless Personal Area Network MAC Medium Acess Control

MCF Mesh Coordinator Function MCU Microcontroller Unit

MLME MAC Layer Management Entity MPSK M-ary Phase Shift Keying MPDU MAC Protocol Data Unit NiMH Nickel Metal Hydride

NTC Negative Temperature Coefficient

NWK Network

OFDM Orthonal Frequency Division Multiplexing OSI Open System Interconnection

O-QPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying PAN Personal Area Network

PC Personal Computer

PCF Point Coordinator Function

PHY Physical Layer

PIC Peripheral Interface Controller PLME Physical Layer Management Entity PLCP Physical Layer Converge Procedure PMD Physical Medium Dependent

Sigla Expans˜ao

PNC Piconet Coordinator Identifier PTC Positive Temperature Coefficient QAM Quadrature Amplitude Modulation QOS Quality Of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying RSSF Rede de Sensores Sem fios RAM Random Access Memory RF R´adio Frequˆencia

RFD Reduced Function Device

RTD Resistance Temperature Detector

RX Receive Data

SPI Serial Peripheral Interface SAP Service Access Point

SDA Serial Data

SDO Serial Data Output

SSP Security Services Provider

STA Station

TDM Time Division Multiplexing TDT Time Domain Transmission TDR Time Domain Reflectometry

TX Transmit Data

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UWB Ultra-WideBand

WPAN Wireless Personal Area Network Wi-Fi Wireless Fidelity

ZDO ZigBee Device Object

1

_Introdu¸c˜

_ao

1.1

Motiva¸c˜

ao

Devido `a necessidade de uma cada vez maior eficiˆencia no processo de produ¸c˜ao no sector agr´ıcola, bem como a necessidade de produzir cada vez mais e melhor, ´e importante ter sistemas de monitoriza¸c˜ao e controlo que forne¸cam as informa¸c˜oes essenciais para a evolu¸c˜ao e desenvolvimento atividade agr´ıcola.

Para os produtores tomarem decis˜oes que levam `a melhoria da produ¸c˜ao, ter˜ao que recorrer a sistemas tecnol´ogicos que permitam adquirir dados, como por exemplo os meteorol´ogicos, para obter uma melhoria da produ¸c˜ao.

A recolha de dados meteorol´ogicos ´e efetuada atrav´es de v´arios tipos de sensores. A forma como s˜ao utilizados, e implantados no terreno varia de acordo com as neces-sidades especificas de uma determinada cultura, ou mesmo a geografia do terreno. As esta¸c˜oes meteorol´ogicas que existem no mercado s˜ao dispendiosas, dif´ıceis de colocar no terreno devido ao seu tamanho. As que est˜ao colocadas no terreno, generalizam os dados climat´ericos dessa zona. Mas nas zonas montanhosas n˜ao se pode generalizar os dados climat´ericos devido as diferen¸cas climat´ericas a´ı existentes.

2 CAP´ITULO 1. INTRODUC¸ ˜AO

Pois no cume da montanha os dados meteorol´ogicos (por exemplo a temperatura e a humidade do ar) s˜ao diferentes em rela¸c˜ao ao sop´e da montanha. Uma poss´ıvel solu¸c˜ao para isso ´e instalar mais do que uma esta¸c˜ao meteorol´ogica, o que pode tornar-se bastante oneroso. ´E neste contexto que surge este projeto que visa o desenvolvimento de uma micro esta¸c˜ao meteorol´ogica, port´atil e de baixo custo.

1.2

Objetivos

Com este trabalho pretende-se desenvolver uma micro esta¸c˜ao meteorol´ogica para vinhas, que tenha a capacidade recolher os dados climat´ericos junto a videira e transmiti-los via rede sensores sem fios. Pretende-se que a micro esta¸c˜ao meteo-rol´ogica seja colocada na vinha, para se adquirir os dados importantes para o apoio `a produ¸c˜ao da uva.

A esta¸c˜ao dever´a ser aut´onoma no que se refere `a energia. Para isso ´e utilizado um painel solar fotovoltaico. Assim ser´a poss´ıvel coloc´a-la no terreno, sem ser ne-cess´ario uma liga¸c˜ao a qualquer rede energ´etica. Esta tecnologia d´a `a micro esta¸c˜ao meteorol´ogica uma grande mobilidade para al´em das quest˜oes ambientais.

Pretende-se que o sistema obtenha os dados dos sensores e envi´a-los via rede sensores sem fios para um computador central.

Tratando-se de um ambiente agr´ıcola neste caso a vinha, com as irregularidades que existem no terreno, h´a a possibilidade de se verificarem diferen¸cas climat´ericas conforme o local em que ´e efetuada a leitura dos dados. Tendo em conta a esses fatores, para isso ´e preciso colocar v´arias micro esta¸c˜oes meteorol´ogicas de forma a se obter dados de v´arias localiza¸c˜oes.

Todos os processos s˜ao geridos por um microcontrolador existente na Unidade Cen-tral de Processamento. ´E respons´avel por todo o processamento dos dados bem como a aquisi¸c˜ao dos dados dos sensores que est˜ao ligados diretamente `a unidade central.

1.3. ORGANIZAC¸ ˜AO DA DISSERTAC¸ ˜AO 3

1.3

Organiza¸c˜

ao da Disserta¸c˜

ao

Esta disserta¸c˜ao ´e composta por 6 cap´ıtulos.O capitulo 1 ´e a introdu¸c˜ao. O cap´ıtulo 2 descreve as RSSF e os padr˜oes IEEE 802.15.4, ZigBee, IEEE 802.15.1, IEEE 802.15.3 3 IEEE 802.11.

O cap´ıtulo 3 descreve os sensores que podem ser utilizados em aplica¸c˜oes agr´ıcolas. Os sensores descritos s˜ao os sensores de temperatura, os sensores de humidade do ar, os sensores de humidade do solo, os sensores de luminosidade, os sensores de fluxo de seiva e os dendr´ometros.

O cap´ıtulo 4 apresenta a conce¸c˜ao da micro esta¸c˜ao meteorol´ogica para vinhas esta tˆem de ter a capacidade de recolher os dados e envi´a-los para um computador central. O cap´ıtulo 5 descreve pormenorizadamente a implementa¸c˜ao deste projeto, apre-sentado no cap´ıtulo 4. Para a implementa¸c˜ao deste projeto foi dividido em quatro m´odulos que s˜ao unidade central de processamento, m´odulo de aquisi¸c˜ao de dados, m´odulo comunica¸c˜ao e o m´odulo de alimenta¸c˜ao.

Por fim no cap´ıtulo 6 s˜ao apresentados os testes e os resultados deste trabalho realizado e a conclus˜ao relativamente aos objetivos deste trabalho.

2

_{Redes Sensores Sem Fios}

As RSSF est˜ao a ser implementadas em diferentes ´areas tais como aplica¸c˜oes mili-tares, aplica¸c˜oes de sa´ude, agricultura e nos processos industriais de monitoriza¸c˜ao [1].

Uma RSSF ´e formada por um conjunto de n´os, que s˜ao constitu´ıdos por um trans-cetores RF, sensores, microcontrolador e uma fonte de energia. O avan¸co que se verificou na tecnologia das RSSF levaram ao desenvolvimento de n´os sensores de baixo custo, baixo consumo de energia e multifuncionais. Estas redes s˜ao compostas por v´arios m´odulos de sensores que est˜ao conectados a um n´o com um m´odulo de r´adio (motes) e que faz a transmiss˜ao dos dados de cada n´o para uma esta¸c˜ao base onde s˜ao armazenados os dados [2], [3].

O protocolo das RSSF em geral consiste na camada de aplica¸c˜ao, camada de trans-porte, liga¸c˜ao de dados, camada f´ısica, plano de gest˜ao de energia, plano de gest˜ao da mobilidade e gest˜ao de tarefas [3].

Existem v´arios padr˜oes e protocolos de comunica¸c˜ao que podem ser usados nas RSSF tais como ZigBee (IEEE 802.15.4), Bluetooh (IEEE 802.15.1), UWB (IEEE 802.15.3), Wi-Fi (IEEE 802.11), etc [4] , [5]. Todos estes protocolos de comunica¸c˜ao

6 CAP´ITULO 2. REDES SENSORES SEM FIOS

operam nas bandas de radio ISM, que incluem as faixas de 902-928 MHZ(USA), 868-870 MHz (Europa), 433.05-434.79 MHZ (USA e Europa), 314-316 MHZ (Jap˜ao) e os 2.4-2.4835 MHZ (mundialmente aceite). As faixas ISM, livres de licenciamento para utiliza¸c˜ao, oferecem enorme reserva de espetros e uma compatibilidade em todo mundo. A faixa 2.4 GHZ tem uma maior largura de banda e o que permite um maior numero de canais, t´ecnicas que usam salto de frequˆencias e devido ao pequeno comprimento de onda permite a utiliza¸c˜ao de antenas compactas [4] , [3].

2.1

Norma IEEE 802.15.4

A norma IEEE 802.15.4 define um protocolo de interliga¸c˜ao compat´ıvel para dis-positivos de comunica¸c˜ao de dados que utilizam baixas taxas de dados, e baixa complexidade de curto alcance RF e transmiss˜oes numa WPAN.

Esta norma define a camada PHY, que cont´em um transcetor RF em conjunto com o seu mecanismo de controlo de baixo n´ıvel e uma subcamada MAC que d´a acesso f´ısico ao canal para todo tipo de transferˆencia de dados. A Figura2.1 mostra as camadas da norma IEEE 802.15.4. As camadas superiores (Figura 2.1) n˜ao pertencem ao ˆambito desta norma.

Figura 2.1– Arquitetura da LR-WPAN (Retirado de [6]).

A camada PHY ´e respons´avel pelas seguintes tarefas: ativa¸c˜ao e desativa¸c˜ao do transcetor RF, ED do canal atual, o LQI dos pacotes recebidos, o CCA para CSMA-CA, a sele¸c˜ao da frequˆencia do canal e a transmiss˜ao dos dados.

2.1. NORMA IEEE 802.15.4 7

Nesta norma foram definidos os seguintes PHY: O-QPSK PHY, BPSK PHY, ASK PHY, MPSK PHY e GFSK PHY.

No O-QPSK PHY ´e utilizada a modula¸c˜ao O-QPSK, que opera nas faixas de frequˆencia 780 MHZ (250 Kbps), 868 MHZ (com 1 canal, 100 Kbps), 915 MHZ (com 10 canais e 250 Kbps), 2450 MHZ (com 16 canais, 250 Kbps). Esta utiliza o modo de acesso DSSS e uma sensibilidade na rece¸c˜ao de -85 dBm ou superior. Na BPSK PHY ´e utilizada a modula¸c˜ao BPSK, que opera nas faixas de frequˆencia 868 MHz (20 Kbps) e 915 MHZ (40 Kbps). Esta utiliza o modo de acesso DSSS PHY e uma sensibilidade na rece¸c˜ao de -92 dBm ou superior.

Na ASK PHY ´e utilizada a modula¸c˜ao ASK e BPSK, que opera nas faixas de frequˆencia 868 MHZ (250 Kbps) e 915 MHZ (250 Kbps). Esta utiliza o modo de acesso PSSS e uma sensibilidade na rece¸c˜ao de -85 dBm ou superior.

No MPSK PHY ´e utilizada a modula¸c˜ao MPSK, que opera na faixa de frequˆencia 780 MHZ (259 Kbps) e uma sensibilidade na rece¸c˜ao -85 dbm ou superior.

Na GFSK PHY ´e utilizada a modula¸c˜ao GFSK, que opera na faixa de frequˆencia 950 MHZ (100 Kbps) e uma sensibilidade na rece¸c˜ao -85 dBm ou superior.

Na CSS PHY ´e utilizada a modula¸c˜ao DPSK, que opera na faixa de frequˆencia 2450 MHZ (1 Mbps e 250 Kbps) e uma sensibilidade na rece¸c˜ao para 1 Mbps ´e de -85 dBm ou superior e para os 250 Kbps ´e -91 dBm ou superior.

No UWB PHY ´e utilizada a modula¸c˜ao BPSK e BPM, que opera nas faixas de frequˆencias 3-10 GHZ (0.11,0.85,1.70,6.81 e 27.24 Mbps), com uma sensibilidade na rece¸c˜ao ´e de -45 dBm.

A subcamada MAC ´e respons´avel pelas seguintes tarefas: apoiar a associa¸c˜ao e dissocia¸c˜ao da PAN, seguran¸ca dos dispositivos, acesso ao canal usando o mecanismo CSMA-CA, tratar e manter o mecanismo GTS, fornece um link confi´avel entre duas entidades pares MAC.

8 CAP´ITULO 2. REDES SENSORES SEM FIOS

802.15.4: um dispositivo FFD e um dispositivo RFD. Um dispositivo FFD pode operar em qualquer dos trˆes modos de servi¸co como um coordenador da PAN, co-ordenador ou dispositivo. Um RFD s´o deve funcionar como um dispositivo.

Dependendo dos requisitos da aplica¸c˜ao IEEE 802.15.4 LR-WPAN esta pode operar em uma das duas topologias: topologia estrela ou a topologia peer-to-peer. As duas topologias s˜ao mostrados na Figura 2.2.

Figura 2.2 – Topologia estrela e peer-to-peer (Retirado de [6]).

Na topologia estrela a comunica¸c˜ao entre os dispositivos ´e efetuada por um ´unico coordenador central, o chamado coordenador PAN. Um dispositivo normalmente tem associado algum aplicativo que seja o ponto de in´ıcio ou o ponto terminal para as comunica¸c˜oes da rede. Um coordenador PAN tamb´em pode ter uma aplica¸c˜ao especifica, mas este pode ser utilizado para inicializar, encerar, ou caminho da co-munica¸c˜ao em torno da rede.

Na topologia peer-to-peer tamb´em existe um coordenador PAN, todavia esta difere da topologia estrela uma vez que qualquer dispositivo ´e capaz de comunicar com qualquer dispositivo desde que esteja dentro do alcance de um outro. Esta topologia forma redes muito complexas de implementar, tais como a topologia em malha. As topologias de rede acima referidas podem ser aplicadas em aplica¸c˜oes como con-trolo da monitoriza¸c˜ao industrial, redes de sensores sem fios, agricultura de precis˜ao e seguran¸ca [6].

2.2. ZIGBEE 9

2.2

ZigBee

O ZigBee ´e uma tecnologia de comunica¸c˜ao sem fios, de baixo custo, baixo con-sumo de energia e bidirecional. Este pode ser incorporado em aparelhos eletr´onicos, controlo industriais, perif´ericos de PC, aplica¸c˜ao de sensores m´edicos, brinquedos, automa¸c˜ao e jogos.

A arquitetura do protocolo ZigBee ´e composta por camadas. Cada camada pro-porciona um conjunto especifico de servi¸cos para a camada superior. Esses servi¸cos s˜ao concebidos atrav´es de duas entidades: entidade servi¸cos de dados e entidade gest˜ao servi¸cos. A entidade servi¸cos de dados fornece a transmiss˜ao de dados e enti-dade gest˜ao de servi¸cos fornece todos os outros servi¸cos. Cada entienti-dade de servi¸cos disponibiliza uma interface com a camada superior atrav´es de uma SPA, essas su-portam um certo n´umero de primitivas de servi¸co, de forma a obter a funcionalidade pretendida.

As duas camadas inferiores do ZigBee, a camada PHY e a sub-camada MAC, s˜ao definidas pela norma IEEE 802.15.4. O protocolo ZigBee constr´oi sobre essa base a camada NWK e a framework para a APL. Como mostra a Figura2.3a APL cont´em a APS, ZDO e a framework para a aplica¸c˜ao.

10 CAP´ITULO 2. REDES SENSORES SEM FIOS

No ZigBee encontram-se definidos trˆes tipos diferentes de dispositivos: ZigBee End Devices; ZigBee Routers; ZigBee Coordinator.

Quanto `a APS, esta fornece a interface entre a camada NWK e a APL, por in-term´edio de um conjunto de servi¸cos que s˜ao utilizados tanto pelo ZDO como pelos objetos da aplica¸c˜ao definidos pelo fabricante.

No ZigBee, a framework de aplica¸c˜ao define o ambiente onde os objetos da aplica¸c˜ao s˜ao alojados nos dispositivos ZigBee. Podem ser definidos at´e 254 objetos de aplica-¸c˜ao, em que cada um ´e identificado por endere¸co endpoint 1 a 254.

O ZDO representa a base com as funcionalidades que permitem a interface entre os objetos da aplica¸c˜ao, o perfil dos dispositivos e a APS. O ZDO est´a localizado entre a framework de aplica¸c˜ao e a APS, e satisfaz os requisitos comuns a todas as aplica¸c˜oes e opera¸c˜oes na arquitetura do protocolo ZigBee. Este ´e respons´avel por inicializar a APS, camada NWK e o SSP. Tamb´em ´e respons´avel por agregar a informa¸c˜ao e pela configura¸c˜ao das aplica¸c˜oes finais, de forma a determinar e implementar as fun¸c˜oes de descoberta, gest˜ao da seguran¸ca, gest˜ao da rede e a gest˜ao de binding.

A camada de NWK ´e essencial para distribuir as funcionalidades e garantir a opera¸c˜ao correta da sub-camada MAC, da norma IEEE 802.15.4, e de atribuir um servi¸co adequado para a interface com a camada aplica¸c˜ao. Este tamb´em suporta trˆes topologias que s˜ao: estrela, ´arvore e topologia em malha. Na topologia estrela a rede ´e controlado por um ´unico dispositivo coordenador ZigBee. Nas topologias em malha e em ´arvore o coordenador ZigBee ´e respons´avel por inicializar a rede e escolher certos parˆametros chave para rede, mas, a rede pode ser aumentada atrav´es de routers ZigBee [7].

2.3

Norma IEEE 802.15.1

A norma IEEE 802.15.1 ´e uma consuma¸c˜ao da tecnologia sem fios Bluetooth, ca-racterizado por ser um sistema de curto alcance, adequado para a substitui¸c˜ao dos cabos tipicamente usados para a liga¸c˜ao de dispositivos eletr´onicos port´ateis e/ou

2.3. NORMA IEEE 802.15.1 11

fixos. As suas principais caracter´ısticas s˜ao a robustez, baixo consumo de energia e baixo custo. Esta norma oferece servi¸cos que possibilitam a conex˜ao de dispositivos e a troca de uma variedade de dados entre eles.

O n´ucleo do sistema incorpora as quatro camadas mais baixas e os protocolos as-sociados que foram definidos nesta norma. Os requisitos gerais do perfil que s˜ao especificados no GAP tamb´em fazem parte do n´ucleo. Mas habitualmente uma aplica¸c˜ao funcional necessita de um conjunto de servi¸cos adicionais e protocolos de camadas superiores, que se encontram definidos no Bluetooth, mas n˜ao nesta norma. A arquitetura do n´ucleo do sistema ´e mostrado na Figura 2.4.

Existe um subsistema (conhecido por ”controlador”) que junta as trˆes camadas mais baixas. Esta ´e uma implementa¸c˜ao habitual, que envolve uma interface de comunica¸c˜oes standard, a HCI, e o resto do sistema, que inclui o L2CAP servi¸co e as camadas mais acima (conhecidas como o host).

Apesar de a HCI ser opcional, toda a arquitetura foi projetada para suportar a sua existˆencia e caracter´ısticas. Esta norma fornece a interoperabilidade entre sistemas independentes, que define o protocolo de mensagens trocadas entre as camadas equi-valentes e tamb´em a interoperabilidade entre subsistemas independentes atrav´es da formula¸c˜ao da interface comum entre controladores hosts.

Os protocolos do n´ucleo do sistema s˜ao: o protocolo de RF; o LCP; o LMP; o L2CAP.

O n´ucleo do sistema presta servi¸cos atrav´es de um n´umero de SAP, que est˜ao re-presentados na Figura 2.4 por elipses. Mas estes servi¸cos baseiam-se em primitivas b´asicas que controlam o n´ucleo do sistema, podendo ser divididos em trˆes tipos: servi¸cos de controlo de dispositivos (que altera o comportamento e os m´etodos do dispositivo); servi¸cos de controlo de transporte (criam, modificam e libertam as por-tadoras de tr´afico - canais e links); os servi¸cos de dados (utilizados para enviar dados para a transmiss˜ao por portadoras de comunica¸c˜ao).

12 CAP´ITULO 2. REDES SENSORES SEM FIOS

Figura 2.4– Arquitetura da norma IEEE 802.15.1 (Retirado de [8]).

O sistema de transporte de dados segue uma arquitetura em camadas que ´e mostrada na Figura 2.5 .

Figura 2.5 – Arquitetura da data transport (Retirado de [8]).

A camada RF (PHY) opera na banda ISM (n˜ao licenciada) de 2.4 GHZ. A faixa de frequˆencias utilizadas vai de 2.4 GHZ a 2.4835 GHZ. Este sistema usa um transcetor

2.3. NORMA IEEE 802.15.1 13

(emissor-recetor) de FHSS, usado para minimizar as consequˆencias das interferˆencias e atenua¸c˜ao. Mas para o RF funcionar tem que se utilizar uma modula¸c˜ao em frequˆencia digital que ´e neste caso o GFSK, de forma a minimizar a complexidade do transcetor. A taxa de transmiss˜ao ´e de 1 Mbps. O intervalo entre canais RF ´e de 1 MHZ, sendo ordenados em k canais de acrodo com a formula f=2402+k MHZ, K=0,....,78. O n´ıvel de sensibilidade de referˆencia ´e de -70 dBm.

Esta norma proporciona liga¸c˜oes ponto a ponto ou liga¸c˜oes ponto a multi-ponto (a e b da Figura 2.6). Numa liga¸c˜ao ponto a ponto, o canal f´ısico ´e partilhado entre dois dispositivos IEEE 802.15.1-2005. Mas uma liga¸c˜ao ponto a multi-ponto, o canal f´ısico ´e partilhado entre v´arios dispositivos. No entanto dois ou mais dispositivos que partilham o mesmo canal f´ısico d´a origem a uma piconet. Um dispositivo atua como mestre numa piconet, enquanto os outros dispositivos atuam como escravos. Os escravos ativos numa piconet v˜ao at´e sete dispositivos.

Num grupo de piconets em que as liga¸c˜oes que existem entre diferentes piconets ´e uma scatternet (c da Figura 2.6). Cada piconet tˆem apenas uma um ´unico mestre, mas no entanto um escravo pode intervir em diferentes piconets baseado numa TDM.

Figura 2.6– Piconets com uma opera¸c˜ao de escravo ´unica (a), uma opera¸c˜ao de multislave (b) e uma opera¸c˜ao scatternet (c) (Retirado de [8]).

Al´em disso, um mestre de uma piconet pode ser um escravo de outra piconet. Uma piconet n˜ao deve ser sincronizado em frequˆencia, mas cada piconet tem a sua pr´opria sequˆencia de hopping. A taxa m´axima do hop rate ´e de 1600 hop/s e o estado de

14 CAP´ITULO 2. REDES SENSORES SEM FIOS

conex˜ao m´aximo ´e de 3200 hop/s e em inquiry e pages substates.

Um dispositivo numa piconet usa um padr˜ao de salto de frequˆencia especifico, que ´e determinado atrav´es de um algoritmo por campos de endere¸co do dispositivo e o rel´ogio do mestre. O padr˜ao b´asico do salto ´e uma ordena¸c˜ao pseudo-aleat´oria de 79 frequˆencias da faixa ISM [8].

2.4

Norma IEEE 802.15.3

A norma IEEE 802.15.3 foi projetada para permitir a conetividade sem fios, de alta velocidade, para transmiss˜ao de dados entre dispositivos, dentro de uma ´area reduzida (espa¸co pessoal), baixa complexidade, baixo custo e baixo consumo de energia.

O modelo de referˆencia para arquitetura da norma IEEE 802.15.3 ´e mostrado na Figura2.7.

Tanto as camadas MAC e PHY incluem concetualmente entidades gestoras, e de-nominado de subcamada MAC entidade gestora e camada PHY entidade gestora (MLME e PLME respetivamente). Estas entidades proporcionam a interface de servi¸cos de gest˜ao para as fun¸c˜oes de gest˜ao da camada.

Para proporcionar a opera¸c˜ao correta da subcamada MAC, existe DME que deve estar dentro de cada DEV. O DME ´e uma entidade independente da camada e pode ser visto como um gestor residente, mas separado do plano. No entanto as funcionalidades exatas do DME n˜ao s˜ao especificadas nesta norma, mas no geral, esta entidade pode ser vista como sendo a respons´avel pelas fun¸c˜oes de recolha das informa¸c˜oes sobre o estado das diversas entidades de gest˜ao de camadas e, de forma similar, ajustar os valores dos parˆametros espec´ıficos de cada camada. O DME realiza estas fun¸c˜oes ”em nome”das entidades gestoras gerais e implementa protocolos do gest˜ao padr˜ao. As liga¸c˜oes entre as entidades de gest˜ao s˜ao mostradas na Figura 2.7.

2.4. NORMA IEEE 802.15.3 15

Figura 2.7 – O modelo de referˆencia usado na norma IEEE 802.15.3 (Retirado de [9]).

As varias entidades deste modelo podem interagir, atrav´es de um ponto de acesso ao servi¸co (SAP) em que se definem primitivas que s˜ao trocadas.

A camada PHY opera na faixa de frequˆencia de 2.400 GHZ a 2.4835 GHZ que est´a dispon´ıvel para uso sem licen¸ca em grande parte do mundo (banda ISM). Dois planos de canal que s˜ao definidos, 4 canais para aplica¸c˜oes de alta densidade e 3 canais para permitir uma melhor coexistˆencia do IEEE 802.11b. S˜ao suportadas 5 modula¸c˜oes: QPSK, DPSK, 16-QAM, 32-QAM e 64-QAM. As taxas de dados suportadas pela camada f´ısica s˜ao: 11, 22 ,33, 44 e 55 Mbps (QPSK, DPSK, 16-QAM, 32-QAM e 64-QAM). A sensibilidade de rece¸c˜ao para cada modula¸c˜ao s˜ao: -82 dBm, -75 dBm, -74 dBm, -71 dBm, -68 dBm (QPSK, DPSK, 16-QAM, 32-QAM e 64-QAM). A largura de banda no ar ´e limitada a 15 MHZ.

Neste padr˜ao os n´os organizam-se em piconets. Uma piconet ´e um sistema de co-munica¸c˜ao sem fios ad -hoc que permite a um certo n´umero de dispositivos indepen-dentes comunicam uns com os outros. Mas esta ´e distinta de outros tipos de redes

16 CAP´ITULO 2. REDES SENSORES SEM FIOS

de dados em que as comunica¸c˜oes s˜ao normalmente limitados a pequenas ´areas em torno de pessoas ou objetos que abrangem tipicamente 10m em todas as dire¸c˜oes, que envolvem as pessoas ou objetos estacion´arios ou em movimento. No entanto uma piconet IEEE 802.15.3 ´e constitu´ıdo por v´arios componentes, que s˜ao mostra-dos na Figura 2.8. Um DEV ´e obrigado assumir o papel de coordenador da piconet (PNC). O PNC gere a QoS, modos de gest˜ao de energia e o controle de acesso `a piconet.

Figura 2.8– Elementos piconet IEEE 802.15.3 (Retirado de [9]).

Os dados de uma piconet IEEE 802.15.3 s˜ao trocadas no modo peer-to-peer. Existem trˆes m´etodos para a comunica¸c˜ao de dados entre DEV numa piconet: envio de dados ass´ıncronos em CAP, se presente, sendo o mecanismo b´asico de acesso ao meio durante a CAP o CSMA/CA; a atribui¸c˜ao do tempo de canal para fluxos de dados com intervalos regulares, no CTAP; atribui¸c˜ao do canal e o tempo de forma ass´ıncrona no CTAP [9].

2.5

Norma IEEE 802.11

O objetivo da norma IEEE 802.11 ´e fornecer conetividade sem fios para port´ateis, m´oveis e esta¸c˜oes fixas dentro de uma ´area local.

Esta norma ´e apresentada atrav´es de um modelo de referˆencia da arquitetura IEEE 802.11 que ´e mostrado na Figura 2.9. Atrav´es dessa arquitetura ´e destacada a separa¸c˜ao do sistema em duas partes principais: o MAC da DLL e o PHY. Estas

2.5. NORMA IEEE 802.11 17

camadas correspondem rigorosamente as camadas mais baixas do modulo OSI. As camadas e sub-camadas desta norma s˜ao mostradas na Figura 2.9.

Tanto a sub-camada MAC e PHY tˆem associado uma entidade gestora chamadas MLME e PLME, respetivamente. Estas entidades fornecem a interface dos servi¸cos de gest˜ao da camada atrav´es do qual a camada das fun¸c˜oes de gest˜ao s˜ao invocados. As v´arias entidades do modelo de referˆencia da arquitetura 802.11 interagem de v´arias maneiras. Estas intera¸c˜oes s˜ao definidas nesta norma atrav´es de um SAP ao qual define as primitivas que s˜ao trocadas, e podem ser vistos na Figura 2.9 e s˜ao representados por uma dupla seta.

Como se pode ver na Figura 2.9 o PHY ´e separado em duas camadas: sub-camada PLCP e sub-sub-camada PMD. A sub-sub-camada PLCP tˆem como fun¸c˜ao pro-porcionar o mecanismo de transferˆencia entre MPDU dois ou mais STA sobre a sub-camada PMD.

18 CAP´ITULO 2. REDES SENSORES SEM FIOS

Os princ´ıpios associados a comunica¸c˜ao entre o IEEE 802.11 MAC e o IEEE 802.11 PHY divide-se em duas categorias b´asicas: os princ´ıpios do servi¸co que suportam MAC e intera¸c˜ao peer-to-peer ; os princ´ıpios do servi¸co e o suporte sub-camada-a-sub-camada e intera¸c˜oes locais.

A arquitetura da sub-camada MAC ´e mostrado na Figura 2.10, e inclui a DCF, a PCF, a HCF e a MCF.

Figura 2.10 – Arquitetura MAC (Retirado de [10]).

O m´etodo de acesso essencial do IEEE 802.11 MAC ´e o DCF que ´e conhecido como CSMA/CA. Este vai ser aplicado em todas STA.

Esta norma define um conjunto de regras para os pacotes e as frames dadas pelas STA. As classes de modula¸c˜ao definidas nesta norma s˜ao mostradas na tabela 2.1 [10] .

2.5. NORMA IEEE 802.11 19

Tabela 2.1– Modulation Class

Modulation Class

Modula¸c˜ao Taxa Dados (Mbps) Sensibilidade recetor (dBm) Espa¸camento canal DSSS PHY DBPSK 1Mbps DQPSK 2Mbps -80 dBm HR/DSSS PHY DBPSK 1Mbps DQPSK 2Mbps CCK 5.5Mbps CCK 11Mbps -76dBm OFDM BPSK 6Mbps -82dBm 20MHZ BPSK 9Mbps -81dBm QPSK 12Mbps -79dBm QPSK 18Mbps -77dBm 16-QAM 24Mbps -74dBm 16-QAM 36Mbps -70dBm 64-QAM 48Mbps -66dBm 64-QAM 54Mbps -65dBm BPSK 3Mbps -85dBm 10MHZ BPSK 4.5Mbps -84dBm QPSK 6Mbps -82dBm QPSK 9Mbps -80dBm 16-QAM 12Mbps -77dBm 16-QAM 18Mbps -73dBm 64-QAM 24Mbps -69dBm 64-QAM 27Mbps -68dBm BPSK 1.5Mbps -88dBm 5MHZ BPSK 2.25Mbps -87dBm QPSK 3Mbps -85dBm QPSK 4.5Mbps -83dBm 16-QAM 6Mbps -80dBm 16-QAM 9Mbps -76dBm 64-QAM 12Mbps -72dBm 64-QAM 13.5Mbps -71dBm

3

Sensores para Aplica¸c˜

oes

Agr´ıcolas

Nesta cap´ıtulo s˜ao apresentados os tipos de sensores mais importante para a gama de aplica¸c˜ao onde o presente projeto se enquadra.

Os sensores s˜ao componentes importantes para medir os v´arios parˆametros ambi-entais tais como a humidade ar e a humidade do solo. Enquanto os atuadores s˜ao utilizados para exercer o feedback e de ter o controlo sobre a situa¸c˜ao [11], [12], [13]. Na atualidade existem v´arios tipos de sensores que podem medir uma variedade de condi¸c˜oes ambientais tais como:

- Temperatura do ar;

- Humidade relativa (do ar e do solo); - Luminosidade;

- Composi¸c˜ao do solo;

- Velocidade e dire¸c˜ao do vento; - Tamanho do fruto e planta; - Fluxo de seiva.

22 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

3.1

Sensores de temperatura

Os tipos de sensores de temperatura mais comuns s˜ao: termoel´etricos (termopares), RTD , termistores e os IC. A Figura 3.1 mostra as curvas carater´ısticas dos quatro tipos de sensores de temperatura [14].

Figura 3.1– Curvas carater´ısticas dos sensores de temperatura (Retirado de [14]).

3.1.1

Termoel´

etricos (Termopares)

Os sensores Termoel´etricos (Termopares) baseiam-se no efeito Seedbeck. O efeito Seedbeck consiste em produzir uma for¸ca eletromotriz originada pela diferen¸ca de temperatura entre as jun¸c˜oes de metais ou ligas diferentes, formando um circuito. Um termopar ´e resultado da jun¸c˜ao de dois condutores de diferentes ligas ou metais que s˜ao unidos numa extremidade, denominado de ponto de medi¸c˜ao jun¸c˜ao quente. A representa¸c˜ao de um termopar ´e mostrado na Figura 3.2

T1 Ponto Medição T2 Ponto Referência Metal A Metal B

Figura 3.2 – Circuito do termopar (Adaptado de [15])

3.1. SENSORES DE TEMPERATURA 23

e representa a temperatura do ponto de medi¸c˜ao (efeito Seedbeck = efeito termoele-trico). Essa tens˜ao (for¸ca eletromotriz) ´e originada devido `a diferen¸ca de densidade dos eletr˜oes dos dois condutores de diferentes ligas ou metais utilizados em conjunto com a diferen¸ca de temperatura entre o ponto de medi¸c˜ao e o ponto de referˆencia. As medidas das temperaturas num temopar n˜ao s˜ao absolutas, mas s˜ao a diferen¸ca de temperatura entre: T1 -ponto medi¸c˜ao (jun¸c˜ao quente) e T2 - ponto de referˆencia (jun¸c˜ao fria).

Para se obter o valor da temperatura absoluta no ponto medi¸c˜ao (jun¸c˜ao quente) ´e preciso utilizar uma compensa¸c˜ao de jun¸c˜ao fria. Antigamente para se conseguir a compensa¸c˜ao de jun¸c˜ao fria era efetuada a imers˜ao do ponto de referˆencia (jun¸c˜ao fria) e tamb´em os fios do medidor de tens˜ao em banho de gelo, m´etodo ainda hoje utilizado em laborat´orios de calibra¸c˜ao.

Em instrumentos port´ateis, ou por exemplo numa esta¸c˜ao meteorol´ogica, a t´ecnica de compensa¸c˜ao acima referida n˜ao ´e pratic´avel. Em vez disso, a compensa¸c˜ao da jun¸c˜ao fria ´e implementada atrav´es de uma de duas t´ecnicas poss´ıveis: a com-pensa¸c˜ao por Hardware e a comcom-pensa¸c˜ao por Software.

Os sinais de sa´ıda dos termopares est˜ao tipicamente na faixa dos milivolt num modo geral e tˆem uma sensibilidade de tens˜ao/temperatura muito baixas; o que significa que ´e preciso ter muita aten¸c˜ao as fontes de erros que podem afetar a precis˜ao da medi¸c˜ao. As principais fontes de erros nas medi¸c˜oes com os termopares a ter em conta s˜ao: ru´ıdo, erros de offset, erros de ganho, compensa¸c˜ao da jun¸c˜ao fria, exatid˜ao e os erros do termopar.

H´a v´arios tipos de termopares dispon´ıveis no mercado, identificados por uma letra que mencionam a sua composi¸c˜ao, conforma a conven¸c˜ao do ANSI. Esses termopares s˜ao: tipo B, tipo E, tipo J, tipo K, tipo N, tipo R, tipo S e o tipo T [15], [16]. Os termopares s˜ao baratos, robustos, tˆem um tempo de resposta r´apida, mas s˜ao menos precisos, inst´aveis e tˆem pouca sensibilidade [17].

24 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

3.1.2

RTD

Os RTD s˜ao sensores que funcionam segundo o principio da varia¸c˜ao da resistˆencia el´etrica de metais puros. A platina ´e o elemento mais utilizado nos RTD devido a sua ampla faixa de temperatura, precis˜ao e estabilidade. Mas tamb´em podem ser utilizados o n´ıquel e cobre.

As configura¸c˜oes mais comuns para os elementos RTD s˜ao: wire wound e thin film. O wire wound (Figura3.3) ´e um fio enrolado em forma de bobine que depois ´e isolado por vidro ou epoxi. A thin film (Figura 3.4) ´e uma pel´ıcula fina que ´e depositada sobre uma camada muito fina de metal sobre um substrato de pl´astico ou cerˆamico. Esta pel´ıcula fina ´e protegida por um revestimento met´alico.

Figura 3.3– RTD do tipo Wire wound (Retirado de [18].)

Figura 3.4 – RTD do tipo Thin film (Retirado de [18]).

Os RTD s˜ao catalogados pelas suas resistˆencias nominais a 0 o

C. As resistˆencias nominais t´ıpicas s˜ao de platina de 100 Ω e 1000 Ω.

3.1. SENSORES DE TEMPERATURA 25

Tabela 3.1– Tabela: Coeficientes de Calllendar-Van Dussen

Norma Coeficiente de temperatura (a) A B C DIN 43760 0.003850 3.9080 × 10−3 ₋5.8019 × 10−7 ₋4.2735×10−12 American 0.003911 3.9692 × 10−3 ₋5.8495 ×10−7 ₋4.2325×10−12 ITS-90 0.003926 3.9848 × 10−3 ₋5.870 × 10−7 ₋4.0000×10−12

A curva padr˜ao da equa¸c˜ao Callendar-Van Dussen, que define a rela¸c˜ao entre a resistˆencia e a temperatura da seguinte forma:

- Para t<0: Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100o C)]; - Para t≥0: Rt=R0[1+At+Bt2]; - onde: - Rt: Resistˆencia (Ω) na temperatura (o C); - R0: Resistˆencia nominal;

- A,B e C: Constante usadas para ajustar a escala do RTD;

A Tabela 3.1 mostra os coeficientes de Calllendar-Van Dussen dos RTD comuns. O coeficiente de temperatura (a) ´e o que define a sensibilidade do elemento met´alico, que ´e normalmente usado para distinguir as curvas da rela¸c˜ao entre a resistˆencia e a temperatura dos v´arios elementos RTD.

As medi¸c˜oes com os RTD podem ser efetuadas atrav´es de trˆes m´etodos que s˜ao a co-nex˜ao de um sinal RTD usando dois fios (sem compensa¸c˜ao), trˆes fios (compensa¸c˜ao simples) e quatro fios (compensa¸c˜ao dupla).

A sa´ıda de um RTD ´e uma resistˆencia el´etrica (Ω) que depois ´e convertido em um sinal el´etrico (tens˜ao) de forma a permitir a leitura e a convers˜ao para temperatura.

26 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

O m´etodo mais utilizado para a leitura do seu valor ´e uma fonte de corrente cont´ınua para criar uma tens˜ao aos terminais do RTD proporcional com a temperatura. Este introduz erros na medi¸c˜ao: Erros por auto-aquecimento estes s˜ao minimizados pelo equipamento de leitura que utiliza correntes muito reduzidas para minimizar o calor gerado por efeito Joule; Erros devido a resistˆencia dos fios, pois os fios utilizados para a liga¸c˜ao do RTD com o equipamento de medi¸c˜ao que tem uma resistˆencia que pode ser somada a resistˆencia que podem criar um erro na medi¸c˜ao. Para isso tem que se utilizar fios de compensa¸c˜ao para minimizar este erro [19], [18], [20], [21], [22].

3.1.3

Termistores

Os termistores s˜ao sensores semelhantes com aos RTD porque s˜ao sensores cuja resistˆencia el´etrica v´aria com a temperatura.

Em termos de fabrico os termistores s˜ao construidos a partir de materiais semicon-dutores de oxido met´alico que depois s˜ao prensados em algumas formas e depois s˜ao encapsuladas numa base de vidro ou epoxi.

Existem dois tipos de termistores que s˜ao: NTC e o PTC. O NTC cuja a resistˆencia diminui com o aumento da temperatura, enquanto o PTC cuja a resistˆencia au-menta com o aumento da temperatura. Os NTC s˜ao geralmente os mais usados em aplica¸c˜oes de medi¸c˜ao de temperatura do que os PTC.

A principal vantagem dos termistores em medi¸c˜oes de temperatura ´e sua sensi-bilidade que ´e extremamente elevada. Este tamb´em tem como vantagem a sua resistˆencia ser relativamente elevada. No entanto essa elevada resistˆencia faz com que haja uma diminui¸c˜ao do efeito inerente da resistˆencia dos fios dos condutores o que provoca erros significativos nos dispositivos de baixa resistˆencia, como RTD. As medi¸c˜oes exigem normalmente conex˜oes de 3 fios ou 4 fios de forma reduzir os erros causados pelos terminais das resistˆencias dos fios, enquanto as conex˜oes de dois fios para os termistores s˜ao geralmente as mais adequadas.

3.1. SENSORES DE TEMPERATURA 27

O pre¸co da alta sensibilidade destes sensores ´e a perda da linearidade. O termistor ´e um dispositivo que ´e extremamente n˜ao linear e que ´e altamente dependente dos parˆametros do processo. Por consequˆencia, os fabricantes n˜ao padronizam as curvas para as medidas dos termistores .

As desvantagens dos termistores ´e por causa de ser um semicondutor logo estes s˜ao mais suscet´ıveis a perdas permanentes de calibra¸c˜ao a altas temperaturas do que s˜ao os RTD ou termopares. O seu uso esta limitado a algumas centenas de graus Celsius.

Os termistores podem ser feitos num tamanho pequeno, o que faz com que este respondam rapidamente a varia¸c˜oes de temperatura. Por causa da sua pequena massa t´ermica faz com que se torne suscet´ıvel a erros de auto-aquecimento. Estes s˜ao mais fr´ageis que os RTD e que os termopares para isso tem que se ter cuidado na sua montagem para evitar o esmagamento ou a separa¸c˜ao das liga¸c˜oes [14],[23], [24].

3.1.4

Sensores de Temperatura em Circuito Integrado

Os sensores de temperatura circuito integrado ou semicondutores s˜ao dispositivos eletr´onicos construidos de forma semelhante aos outros componentes semiconduto-res, tais como os microcontroladores. Estes s˜ao tipicamente formados sobre uma camada fina de sil´ıcio.

Estes sensores tem como caracter´ısticas: as sa´ıdas serem lineares, tamanho relativa-mente pequeno, baixo custo.

De uma forma geral os sensores temperatura IC s˜ao os mais adequados para aplica¸c˜oes incorporadas, isto ´e aplicados dentro do equipamento. Porque estes s˜ao eletrica-mente e mecanicaeletrica-mente muito fr´ageis que a maioria dos outros tipos de sensores de temperatura.

Os sensores de temperatura IC s˜ao agrupados em 5 categorias:sa´ıda em tens˜ao, sa´ıda em corrente, sa´ıda em resistˆencia, sa´ıda digital e sa´ıda em d´ıodo [25].

28 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

3.2

Sensores de Humidade do Ar

Os sensores de humidade do ar medem a humidade relativa do ar e s˜ao geralmente do tipo capacitivo ou resistivo. A humidade relativa do ar ´e a rela¸c˜ao entre a press˜ao parcial do vapor de ´agua no ar e a press˜ao de vapor de ´agua em satura¸c˜ao. ´E por isso que a humidade relativa ´e expressa em percentagem [26], [27].

3.2.1

Sensores de Humidade Capacitivos

Os sensores de humidade capacitivos s˜ao constitu´ıdos por uma pel´ıcula fina de oxido de metal ou de pol´ımeros que ´e depositado entre dois el´etrodos condutores sobre um substrato cerˆamico, vidro ou de sil´ıcio. A sua superf´ıcie dete¸c˜ao e revestida com um el´etrodo de metal poroso para proteger da contamina¸c˜ao a exposi¸c˜ao `a condensa¸c˜ao. As altera¸c˜oes incrementadas pela constante diel´etrica ´e quase diretamente propor-cional `a humidade relativa do ambiente circundante. Na Figura 3.5 ´e mostrado a estrutura de um sensor de humidade capacitivo.

Figura 3.5 – Estrutura do sensor humidade capacitivo (Retirado de [28]).

Estes sensores s˜ao caraterizados pelo seu baixo coeficiente de temperatura, e a ca-pacidade de funcionar a temperaturas elevadas (at´e 200o

C), e a recupera¸c˜ao da condensa¸c˜ao ´e total a uma resistˆencia aceit´avel aos vapores qu´ımicos [29], [28].

3.3. SENSORES DE HUMIDADE DO SOLO 29

3.2.2

Sensores de Humidade Resistivo

Os sensores humidade resistivo s˜ao constitu´ıdo geralmente por el´etrodos de metais nobres ou tamb´em depositada sobre um substrato atrav´es de t´ecnicas da resina fotossens´ıvel ou num el´etrodo de arame enrolado sobre um cilindro de pl´astico ou vidro. Na Figura 3.6 ´e mostrado a estrutura de um sensor humidade resistivo.

Figura 3.6– Estrutura do sensor humidade resistivo (Retirado de [28]).

Estes sensores adquirem as mudan¸cas do valor da resistˆencia do elemento do sensor em resposta as mudan¸cas de humidade, para ser enviada como um sinal el´etrico. Em rela¸c˜ao os sensores de humidade resistivos s˜ao menos sens´ıveis e resistentes `as mudan¸cas de temperatura do que os sensores humidade capacitivo [29], [28].

3.3

Sensores de Humidade do Solo

A quantifica¸c˜ao da humidade do solo pode ser medida atrav´es de duas abordagens: a humidade volum´etrica do solo e o potencial h´ıdrico do solo.

O potencial da ´agua no solo pode ser medida atrav´es de m´etodos prim´arios de suc¸c˜ao hidr´aulica (tensi´ometros) e da press˜ao de vapor (psicr´ometros). Enquanto a humidade volum´etrica do solo ´e medida atrav´es dos m´etodos secund´arios das propriedades el´etricas do solo ou as propriedades t´ermicas, sendo que estes m´etodos secund´arios tamb´em podem ser adaptadas para um m´etodo terci´ario para o potencia da ´agua.

30 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

Nos cap´ıtulos a seguir v˜ao ser descritos as v´arias t´ecnicas [30].

3.3.1

Tensi´

ometros

Os tensi´ometros s˜ao constitu´ıdos por um tubo pl´astico selado cheio de ´agua e com um copo de cerˆamica numa extremidade e na outra a um medidor de press˜ao ne-gativa (vacuometer ). O tamanho do copo de cerˆamica pode ser vari´avel dependo da precis˜ao do medidor utilizado (cerca dos 0.01 bar). A faixa de medi¸c˜ao ´e nor-malmente 0-0.80 bar, no entanto para a vers˜ao de baixa tens˜ao (0-0.40 bar) que ´e projetado para solos grossos (Figura 3.7).

Figura 3.7 – Tensi´ometro (Retirado de [31]).

Um tensi´ometro funciona da seguinte forma quando o tubo ´e cheio de ´agua ´e selado e colocado em contacto com o solo atrav´es de um material poroso, perme´avel e saturado, a ´agua (no interior do tubo) entra em equil´ıbrio com a solu¸c˜ao do solo ou seja, ao mesmo potencial da press˜ao de ´agua retirada na matriz do solo.

3.3. SENSORES DE HUMIDADE DO SOLO 31

As vantagens dos tensi´ometros s˜ao: leitura direta; leitura continua quando se usa um transdutor de press˜ao; n˜ao necessita de eletr´onica e n˜ao consuma energia; adequado para a amostragem em alta frequˆencia ou o agendamento da irriga¸c˜ao; habilidade m´ınima necess´aria para a manuten¸c˜ao; n˜ao ´e afetado pela salinidade do solo, porque os sais podem se mover livremente dentro e fora do outro lado do copo de cerˆamica e ´e barato. Os inconvenientes dos tensi´ometros s˜ao: tempo de resposta relativa-mente lento; requer um contacto m´ınimo com o solo a redor do copo de cerˆamica para as leituras consistentes e evitar descargas frequentes (quebra da coluna de ´agua no interior); em especial nas expans˜oes ou solos grossos, o copo de cerˆamica pode perder o contacto com o solo, o que exige uma reinstala¸c˜ao e requer uma manu-ten¸c˜ao frequente (recarga) para manter o tubo cheio de ´agua no tempo quente e seco [30],[31].

3.3.2

Psicr´

ometros Solo

Os psicr´ometros solo s˜ao constitu´ıdos por um protetor de tela de cerˆamica ou ´e construido numa cˆamara de ar, onde esta localizado um termopar. O tipo de tela recomendada para ambientes de alta salinidade. A humidade relativa da cˆamara de ar ´e calculado a partir do ”bolbo h´umido”versus ”bolbo seco”e a diferen¸ca de temperatura. A faixa de medi¸c˜ao ´e dos 0.5-30 bar (menos preciso para as faixas do 10-30 bar)(Figura 3.8).

32 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

Um psicr´ometro solo funciona sob as condi¸c˜oes de equil´ıbrio do vapor, o potencial de ´agua do material poroso que est´a relacionado com a press˜ao do vapor do ar em torno do meio poroso. Isto faz com que o potencial da ´agua no solo seja determinado atrav´es da medi¸c˜ao da humidade relativa da cˆamara interior da c´apsula porosa e equilibrada com a solu¸c˜ao do solo.

As vantagens dos psicr´ometros solo s˜ao: alta sensibilidade; leituras cientificamente rigorosas (exceto em condi¸c˜oes do solo mais h´umidos) e quando as condi¸c˜oes ade-quadas da humidade t´ıpica s˜ao muito secas. Os inconvenientes dos psicr´ometros s˜ao: n˜ao ´e recomendado em profundidades rasas, devido a suscetibilidade ao gradiente t´ermico; volume dete¸c˜ao pequeno e baixa precis˜ao na faixa molhada [30], [31].

3.3.3

Sonda Neutr˜

oes

A configura¸c˜ao da sonda de neutr˜oes tem a forma de um cilindro longo e estreito, que contem uma fonte e um detetor. As medi¸c˜oes s˜ao efetuadas atrav´es da introdu¸c˜ao da sonda no interior do tubo de acesso que ´e instalado no solo. A humidade do solo ´e obtida a diferentes profundidades, pondo a sonda a diferentes profundidades dentro do tubo (Figura 3.9).

Figura 3.9 – Sonda Neutr˜oes (Retirado de [31]).

As vantagens das sondas neutr˜oes s˜ao: s˜ao robusto e precisos; pode medir em v´arias profundidades diferentes; grande volume de dete¸c˜ao do solo e n˜ao s˜ao afetadas pela salinidade ou ar de lacunas. Os inconvenientes das sondas neutr˜oes s˜ao: o risco

3.3. SENSORES DE HUMIDADE DO SOLO 33

de seguran¸ca, uma vez que a radioatividade est´a envolvida; exigir uma certifica¸c˜ao para us´a-lo; requer uma calibra¸c˜ao especifica do solo; ´e um instrumento pesado; o tempo de leitura ´e relativamente longo; as leituras pr´oximas da superf´ıcie do solo s˜ao dif´ıceis e n˜ao exatas; as leituras s´o podem ser manuais, n˜ao podem ser automatizadas devido ao risco de seguran¸ca; caros para comprar e em solos ricos em mat´eria orgˆanica requer uma aten¸c˜ao especifica de calibra¸c˜ao porque os compostos orgˆanicos contˆem hidrog´enio significativo [30], [31].

3.3.4

TDR

A sonda TDR ´e geralmente constitu´ıda por 2-3 hastes met´alicas que s˜ao introduzi-das no solo e que atuam como guias introduzi-das onintroduzi-das. Ao mesmo tempo, o instrumento TDR utiliza um dispositivo para medir a digitalizar a energia (volts) da linha de transmiss˜ao em intervalos de cerca de 100 pico segundos. Quando um impulso eletromagn´etico se move ao longo da linha de transmiss˜ao e encontra uma descon-tinuidade, parte dos impulsos s˜ao refletidos, produzindo uma mudan¸ca no n´ıvel de energia da linha de transmiss˜ao.

A salinidade do solo e/ou os solo argilosos altamente pesados condutores que podem afetar as medi¸c˜oes do TDR, uma vez que cada um contribui para a atenua¸c˜ao dos impulsos refletidos. Nos solos altamente salinos, as hastes da sonda s˜ao revestidos com epoxi de forma a solucionar o problema. No entanto esta solu¸c˜ao tem como implica¸c˜ao a perda de sensibilidade e uma altera¸c˜ao na calibragem.

34 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

As vantagens dos TDR s˜ao: precis˜ao (±1%); calibra¸c˜ao especifica do solo geral-mente n˜ao necess´arias; facilgeral-mente expans´ıvel por multiplexa¸c˜ao; grande variedade de configura¸c˜oes da sonda; perturba¸c˜oes do solo ´e m´ınima; relativamente insens´ıvel aos n´ıveis normais de salinidade; pode fornecer medi¸c˜oes simultˆaneas de condutivi-dade do solo. Os inconvenientes dos TDR s˜ao: ser um equipamento relativamente caro devido a uma eletr´onica complexa; potencialmente limitado em aplica¸c˜oes com alta salinidade ou em solos argilosos altamente pesados condutores e uma calibra¸c˜ao especifica do solo para os solos com grandes quantidades de ´agua [30], [31].

3.3.5

Capacitivo e FDR

A capacidade el´etrica de um condensador que utilize o solo como um diel´etrico depende do conte´udo da ´agua do solo. Ao ligar um condensador (feito de placas met´alicas ou hastes embutidos no solo) juntamente com um oscilador de forma a formar um circuito el´etrico, as altera¸c˜oes da humidade do solo podem ser deteta-das pela altera¸c˜ao da frequˆencia de funcionamento do circuito. Isto ´e a base do dom´ınio t´ecnica utilizada pelos sensores FDR. Nos sensores capacitivo, a permis-sividade diel´etrica do meio ´e determinada atrav´es da medi¸c˜ao do tempo de carga do condensador feito com esse meio. Nos sensores FDR, a frequˆencia do oscila-dor ´e controlada dentro de uma certa gama de forma a determinar a frequˆencia de ressonˆancia, o que ´e uma medida do teor da ´agua do solo.

Figura 3.11 – Sondas FD: a)Capacitivo (placa incorporada numa placa de sil´ıcio) b)capacitivo(hastes) C)FDR (an´eis) (Retirado de [31]).

3.3. SENSORES DE HUMIDADE DO SOLO 35

As vantagens destes sensores s˜ao: serem precisos ap´os a calibra¸c˜ao especifica do solo (±1%); pode ser utilizado em solos com alta salinidades e que o TDR falha; tem melhor resolu¸c˜ao do que os TDR e alguns dos dispositivos s˜ao relativamente baratos em rela¸c˜ao aos TDR, devido a utiliza¸c˜ao de circuitos de baixa frequˆencia. Os inconvenientes destes sensores s˜ao: a esfera de dete¸c˜ao e relativamente pequena; em medi¸c˜oes fi´aveis, ´e fundamental o sensor (ou tubo de acesso) ter um bom contacto com o solo; tem maior sensibilidade a temperatura, densidade, teor de argila em rela¸c˜ao aos TDR e necessitam uma calibra¸c˜ao especifica do solo [30], [31].

3.3.6

Impedˆ

ancia

Os sensores de impedˆancia utilizam um oscilador para gerar um sinal sinusoidal que ´e aplicado a uma linha de transmiss˜ao coaxial. As linhas de transmiss˜ao s˜ao prolon-gadas para o interior do solo atrav´es de uma hastes met´alicas paralelas, o exterior tem a forma de uma blindagem el´etrica em volta de uma vareta do sinal central (Fi-gura 3.12). Esta disposi¸c˜ao atua como uma haste de sec¸c˜ao complementar da linha de transmiss˜ao, considerando a impedˆancia que depende da constante diel´etrica do solo entre as hastes.

Figura 3.12 – Sensor de Impedˆancia (Retirado de [31]).

36 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

e ±5% sem calibra¸c˜ao; perturba¸c˜ao do solo ´e m´ınima; pode ser conectados aos dataloggers convencionais; baratos devido ao circuito padr˜ao e n˜ao s˜ao afetados pela temperatura. Os inconvenientes destes sensores s˜ao: medi¸c˜oes confi´aveis e precisas apenas com uma calibra¸c˜ao especifica do solo; medi¸c˜oes afetadas pelo espa¸co do ar, pedras ou canaliza¸c˜ao de ´agua diretamente sobre as hastes da sonda e o volume de dete¸c˜ao baixo (4.42 ml) [30], [31].

3.3.7

Fase Na Transmiss˜

ao

Quando uma onda sinusoidal ´e percorrida por uma distˆancia fixa, esta mostra uma mudan¸ca de fase em rela¸c˜ao a fase na origem. Esta mudan¸ca de fase depende do comprimento do percurso ao longo da linha de transmiss˜ao, a frequˆencia e a velocidade de propaga¸c˜ao. A velocidade de propaga¸c˜ao est´a relacionada com o teor de humidade do solo, e o conte´udo de ´agua do solo que pode ser determinada pelo o deslocamento da fase em cada frequˆencia e o comprimento do percurso.

Este tipo de sondas utilizam um projeto de guias de ondas especificas (dois an´eis met´alicos concˆentricos abertos), de modo que a medi¸c˜ao eletr´onica da fase pode ser aplicado o inicio t´ermico das guias t´ermicas (Figura 3.13).

Figura 3.13 – Fase Transmiss˜ao (Retirado de [31]).

3.3. SENSORES DE HUMIDADE DO SOLO 37

pode ser conectado aos dataloggers convencionais e serem baratos. Os inconvenientes destes sensores s˜ao: perturba¸c˜ao do solo ´e consider´avel durante a instala¸c˜ao por causa da configura¸c˜ao do sensor de an´eis concˆentricos; requerem uma calibra¸c˜ao especifica do solo; uma redu¸c˜ao da precis˜ao por causa da distor¸c˜ao do pulso durante a transmiss˜ao e precisa de ser instalado permanente no campo [30], [31].

3.3.8

TDT

O TDT mede o tempo de propaga¸c˜ao de um pulso eletromagn´etico ao longo de uma linha de transmiss˜ao. ´E por que ´e parecido ao TDR, mas este requer uma uma liga¸c˜ao el´etrica no inicio e no final da linha de transmiss˜ao. N˜ao impeditivo, mas o circuito ´e simples em rela¸c˜ao ao TDR.

Este tipo de sondas s˜ao projetados segundo guias de ondas (hastes met´alicas do-bradas), de modo que o inicio e o fim da linha de transmiss˜ao e que s˜ao inseridos num bloco eletr´onico. Em alternativa, o sensor pode ser constitu´ıdo por uma banda de comprimento (91.4 cm), e tendo um bloco eletr´onico em ambas as extremidades (Figura 3.14).

Figura 3.14 – TDT (Retirado de [31]).

38 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

dataloggers convencionais e serem baratos, devido ao circuito padr˜ao. Os inconveni-entes destes sensores s˜ao: redu¸c˜ao na precis˜ao devido `a distor¸c˜ao do impulso gerado durante a transmiss˜ao; perturba¸c˜ao do solo durante a instala¸c˜ao e precisa de ser instalado permanentemente no campo [30], [31].

3.3.9

Bloco de Gesso

Um sensor bloco de gesso ´e constitu´ıdo por uma c´elula eletroqu´ımica com uma solu¸c˜ao saturada de sulfato de c´alcio como um eletr´olito. A resistˆencia entre os el´etrodos embebidos em blocos ´e determinada pela aplica¸c˜ao de uma pequena tens˜ao de CA (para evitar a polariza¸c˜ao do bloco) atrav´es de um circuito de ponte. Com as altera¸c˜oes da condutividade el´etrica do solo ir˜ao afetar as leituras, o gesso que ´e utilizado como amortecedor contra as mudan¸cas de salinidade do solo (at´e uma certa concentra¸c˜ao). O problema que esta ligado aos blocos ´e que este se dissolve e se degrada com o tempo (especialmente em solos salinos), e perde a sua calibra¸c˜ao (Figura 3.15).

Figura 3.15 – Bloco de gesso (Retirado de [31]).

As vantagens dos sensores de bloco de gesso s˜ao: a manuten¸c˜ao necess´aria ´e m´ınima; simples e barato. Os inconvenientes dos sensores de bloco de gesso s˜ao: baixa resolu¸c˜ao; as propriedades do bloco v˜ao mudar com o tempo, devido `a deposi¸c˜ao

3.3. SENSORES DE HUMIDADE DO SOLO 39

da argila e do gesso e a dissolu¸c˜ao, e sua longevidade depende do tipo de solo, e a quantidade de chuva e irriga¸c˜ao e o tipo de gesso utilizado; n˜ao adequado para a dilata¸c˜ao do solo; as leituras s˜ao imprecisas devido ao bloqueio de histerese e depende da temperatura [30], [31].

3.3.10

GMS

Um sensor GMS ´e constitu´ıdo por el´etrodos que s˜ao embutidos num material quartzo granulado, envolvido por uma membrana sint´etica e uma malha de a¸co inoxid´avel de prote¸c˜ao. No seu interior ´e utilizado gesso para amortecer os efeitos de salinidade do solo. Este tipo de meio poroso permitem medi¸c˜oes em solos mais h´umidos e tem uma dura¸c˜ao maior que os blocos de gesso (Figura 3.16).

Figura 3.16 – GMS (Retirado de [31]).

As vantagens dos sensores GMS s˜ao: reduz os problemas inerentes aos blocos de gesso; manuten¸c˜ao necess´aria ´e m´ınima; simples e barato. Os inconvenientes dos sensores GMS s˜ao: tempo de rea¸c˜ao lento; e n˜ao funciona bem em solos arenosos, onde a ´agua se escoa mais rapidamente do que o instrumento pode equilibrar; n˜ao adequado para a dilata¸c˜ao do solo; e quando o solo se torna demasiado seco, o sensor tem de ser removido, porque esta saturado e tem de ser reinstalado e depende da temperatura [30], [31].

40 CAP´ITULO 3. SENSORES PARA APLICAC¸ ˜OES AGR´ICOLAS

3.3.11

Dissipa¸c˜

ao do Calor

Uma sonda de calor t´ermico ´e constitu´ıdo por bloco poroso que incluem uma fonte de calor e um sensor de temperatura preciso. A temperatura do bloco ´e medida antes e depois de o aquecedor ser alimentado por uns segundos. ´E por isso que a humidade do bloco ´e obtida a partir da varia¸c˜ao da temperatura (Figura 3.17).

Figura 3.17 – Dissipa¸c˜ao de calor (Retirado do [31]).

As vantagens das sondas de calor t´ermico s˜ao: ampla faixa de medi¸c˜ao; n˜ao necessita manuten¸c˜ao; possibilidade de leituras continuas e n˜ao s˜ao afetadas pela salinidade porque as medidas s˜ao baseadas pela condutividade t´ermica. Os inconvenientes das sondas de calor t´ermico s˜ao: necessita de um controlador sofisticado para controlar as opera¸c˜oes de aquecimento e de medi¸c˜ao; tempo de rea¸c˜ao lento; e n˜ao funcionam bem em solos arenosos, onde a ´agua se escoa mais rapidamente do que o instrumento pode equilibrar e o consumo de energia ´e relativamente alto quando as leituras s˜ao frequentes [30], [31].

3.4

Sensores de Luminosidade

O sensor de luminosidade ´e geralmente conhecido como ”dispositivo Fotoel´etrico”ou ”Foto sensor”. Os dispositivos fotoel´etricos podem ser classificados como c´elulas foto-condutoras e dispositivos foto-jun¸c˜ao [32].

3.4. SENSORES DE LUMINOSIDADE 41

3.4.1

C´

elula Foto-Condutora

Os sensores de luminosidade foto-condutivos, n˜ao produzem eletricidade, mas mu-dam as suas propriedades f´ısicas quando submetidos `a energia da luz. O tipo mais comum de uma c´elula foto-condutora ´e uma foto-resistˆencia designada por LDR. O LDR (Figura 3.18) ´e um tipo de dispositivo que altera com a resistˆencia el´etrica em resposta `as mudan¸cas de intensidade da luz.

Figura 3.18 – LDR (Retirado do [33]).

3.4.2

Dispositivo Foto-Jun¸c˜

ao

Os dispositivos foto-jun¸c˜ao s˜ao especificamente construidos para a dete¸c˜ao da luz. Estes sensores de luminosidade foto-el´etricos s˜ao divididos em foto-d´ıodos Figura 3.19 e em foto-trans´ıstores Figura 3.20.