SENSOR PARA MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO … · SENSOR PARA MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CAMPUS QUIXADÁ BACHARELADO EM ENGENHARIA DE SOFTWARE MATHEUS SOUZA DE CARVALHO SENSOR PARA MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO UTILIZANDO ENERGIA SOLAR QUIXADÁ-CE 2016
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CAMPUS QUIXADÁ
BACHARELADO EM ENGENHARIA DE SOFTWARE
MATHEUS SOUZA DE CARVALHO
SENSOR PARA MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR
QUIXADÁ-CE
2016
MATHEUS SOUZA DE CARVALHO
SENSOR PARA MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO UTILIZANDO
ENERGIA SOLAR
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
curso de Engenharia de Software da
Universidade Federal do Ceará, como requisito
parcial à obtenção do título de Bacharel em
Engenharia de Software. Área de concentração:
Computação.
Orientador: Prof. Luis Rodolfo Rebouças
Coutinho.
QUIXADÁ-CÉ
2016
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
Universidade Federal do Ceará
Biblioteca Universitária
Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
C325s Carvalho, Matheus Souza de.
Sensor para monitoramento de umidade do solo utilizando energia solar / Matheus Souza de
Carvalho. – 2016.
46 f. : il. color.
Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Campus de
Quixadá, Curso de Engenharia de Software, Quixadá, 2016.
Orientação: Prof. Luis Rodolfo Rebouças Coutinho.
1. Solo. 2. Sensores de umidade. 3. Energia solar na agricultura. 3. Sistemas embarcados
(computadores). I. Título.
CDD 005.1
MATHEUS SOUZA DE CARVALHO
SENSOR PARA MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO UTILIZANDO
ENERGIA SOLAR
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
curso de Engenharia de Software da
Universidade Federal do Ceará, como requisito
parcial à obtenção do título de Bacharel em
Engenharia de Software. Área de concentração:
Computação.
Aprovada em: 14 / Julho / 2016.
BANCA EXAMINADORA
________________________________________
Prof. Luis Rodolfo Rebouças Coutinho (Orientador)
Universidade Federal do Ceará
_________________________________________
Prof. Dr. Cristiano Bacelar de Oliveira
Universidade Federal do Ceará
_________________________________________
Prof. Me. Wagner Guimarães Al-Alam
Universidade Federal do Ceará
Dedicado à minha família e amigos...
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente, a pessoa a quem mais sou grato nessa vida, minha mãe
Norma Brito, por ter me dado esta oportunidade ímpar de poder concluir um curso de graduação
pela Universidade Federal do Ceará. Te amo incondicionalmente, mãe.
Agradeço imensamente ao orientador deste trabalho Prof. Rodolfo por ter
acreditado na minha capacidade e ter me dado um suporte sem igual para realizar este trabalho.
Muito obrigado por tudo, Rodolfo.
Agradeço também pelas amizades verdadeiras construídas ao longo deste período
inteiro. Não preciso citar nomes, até porque são inúmeros, acabaria esquecendo de alguém, mas
os verdadeiros saberão. Muito obrigado por todo o aprendizado, a ajuda de uma forma geral e
o companheirismo durante o melhor período da minha vida até agora. Meus sinceros
agradecimentos e tenho certeza que tais amizades irão perdurar até o fim. Vocês são fantásticos!
Agradeço aos professores que tive ao longo da graduação, tenham certeza que vocês
contribuíram ativamente para minha formação crítica e profissional.
Gostaria de agradecer também a todos os servidores do campus Quixadá, por toda
a ajuda durante a minha graduação.
Fica meu agradecimento ao Restaurante Universitário por auxiliar na estadia de
muitos alunos que vêm de outra cidade para estudar em de Quixadá.
E por último, mas não menos importante, fica meu agradecimento à ciência por
tornar meus dias mais felizes, com todas suas descobertas, realizações e contribuições para o
progresso da humanidade.
“A ciência trabalha na fronteira entre o conhecimento e a ignorância.
Não temos medo de admitir o que não sabemos. Não há vergonha nisso.
A única vergonha é fingir que temos todas as respostas.”
(Neil deGrasse Tyson)
RESUMO
Devido ao excessivo consumo de água pela população e indústria, está cada vez mais necessário
utilizá-la de forma consciente e racional. A agricultura é o setor que mais consome recursos
hídricos no Brasil e no mundo, com aproximadamente 70% do consumo total. A união entre
agricultura e ciência da computação se chama agricultura de precisão, que visa tanto utilizar
recursos gerais para agricultura de forma consciente, reduzindo impactos ambientais quanto
aumentar a produtividade do cultivo. No entanto, tecnologias para agricultura de precisão
costumam ter preços elevados no Brasil, excluindo do mercado cultivadores com poucos
recursos financeiros. Então, no âmbito da agricultura de precisão, este trabalho propõe um
dispositivo para monitoramento da umidade do solo utilizando energia solar como fonte de
energia, com um custo de aproximadamente R$90,00 e de fácil instalação. Para isso, um
protótipo foi construído seguindo um processo genérico de desenvolvimento de sistemas
embarcados.
Palavras-chave: Sensor de umidade do solo. Energia solar. Sistemas embarcados.
ABSTRACT
Due to excessive water consumption by the population and industry, is increasingly necessary
to use it consciously and rationally. Agriculture is the sector that consumes the most water
resources in Brazil and in the world, with approximately 70% of total consumption. The union
between agriculture and computer science is called precision farming, which aims both to use
agriculture's general resources in a conscious way, by reducing environmental impacts, as
increase the productivity of the crop. However, technologies for precision farming usually have
high prices in Brazil, excluding from market the farmers with few financial resources. So in the
context of precision farming, this paper proposes a device for soil moisture monitoring using
solar energy as an energy source, at a cost of approximately R$90,00 and easy installation. For
reach these goals, a prototype was built following a general process of developing embedded
systems.
Keywords: Soil moisture sensor. Solar energy. Embedded systems.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Sensor resistivo de umidade do solo, modelo FC-28 .............................................. 18
Figura 2 – Sensor resistivo de umidade do solo, modelo SEN0114......................................... 18
Figura 3 – Sensor capacitivo de umidade do solo, modelo SHT10 .......................................... 19
Figura 4 – Sensor capacitivo de umidade do solo, modelo SEN0193 ...................................... 20
Figura 5 – Dispositivo wireless Bluetooth exclusivo para o perfil de uso SPP ........................ 21
Figura 6 – Dispositivo wireless XBee que implementa a especificação ZigBee ....................... 21
Figura 7 – Comparativo entre padrões de comunicação sem fio .............................................. 22
Figura 8 – Dispositivo wireless NRF24L01+ ........................................................................... 22
Figura 9 – Arquitetura genérica de um microcontrolador ........................................................ 23
Figura 10 – ATMega328P fixado em placa de circuito. ........................................................... 25
Figura 11 – Mini painel fotovoltaico ........................................................................................ 27
Figura 12 – Comparativo entre bateria comum de íons de lítio e super capacitor ................... 28
Figura 13 – Super capacitor ...................................................................................................... 29
Figura 14 – Visão geral do processo de desenvolvimento de sistemas embarcados ................ 30
Figura 15 – Subprocesso de definição de subsistemas ............................................................. 31
Figura 16 – Subprocesso de desenvolvimento de subsistemas ................................................ 32
Figura 17 – Subprocesso de integração de subsistemas ........................................................... 33
Figura 18 – Ilustração de interação entre os subsistemas identificados ................................... 34
Figura 19 – Diagrama esquemático do protótipo ..................................................................... 35
Figura 20 – Diagrama de máquina de estado ........................................................................... 36
Figura 21 – Fluxo completo de comunicação do protótipo ...................................................... 37
Figura 22 – Integração dos subsistemas no ambiente de testes ................................................ 38
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Comparação entre os dispositivos de comunicação wireless utilizados ................. 23
Tabela 2 – Especificações de microcontroladores com os requisitos mínimos para seleção ... 25
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 14
2 TRABALHOS RELACIONADOS ......................................................................... 15
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................................... 16
3.1 Sensor de umidade do solo ...................................................................................... 16
3.2 Dispositivo de comunicação wireless ...................................................................... 20
3.3 Microcontrolador ..................................................................................................... 23
3.4 Fonte de energia renovável e limpa ......................................................................... 26
4 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ............................................................. 29
4.1 Elicitar os requisitos do protótipo ............................................................................ 34
4.2 Projetar o circuito elétrico do protótipo ................................................................... 34
4.3 Analisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo ....... 35
4.4 Desenvolver o firmware para o microcontrolador ................................................... 35
4.5 Desenvolver a aplicação para comunicação com o protótipo .................................. 38
4.6 Testar e acompanhar o protótipo em execução ........................................................ 38
4.7 Analisar e avaliar os resultados obtidos nos testes .................................................. 38
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO .............................................................................. 39
6 TRABALHOS FUTUROS ...................................................................................... 41
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................... 42
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 43
APÊNDICE A – Firmware escrito para o protótipo (transmissor) .......................... 45
APÊNDICE B – Firmware escrito para o dispositivo de comunicação com o
protótipo (receptor) .................................................................................................. 47
14
1 INTRODUÇÃO
Com as frequentes mudanças climáticas e o constante crescimento da população do
planeta, os recursos hídricos potáveis estão se tornando cada vez mais escassos. Tal escassez
está mais relacionada com o mau gerenciamento desses recursos do que, necessariamente, a
disponibilidade dos mesmos (ONU, 2015). No mundo, a agricultura é o setor que mais consome
tais recursos, responsável por cerca de 70% do consumo de água potável. O uso doméstico fica
com menos de 10% do total (FAO, 2012).
De toda a distribuição de água potável do Brasil, em média 37% é perdida no
percurso da estação de tratamento até o consumidor final (FOLHA DE SÃO PAULO, 2015),
acarretando em um aumento significativo nos preços dos serviços prestados pelas companhias
de água e esgoto.
Segundo Lamparelli (2015) a técnica agrícola mais comum consiste em aplicar água
para as plantas de maneira regular, ou seja, quando a água é adicionada em uma parte do terreno,
a mesma quantia é adicionada na propriedade agrícola inteira. Tal prática pode causar excesso
ou deficiência de água no solo, ocasionando prejuízo financeiro em ambos os casos, já que o
terreno pode conter zonas com diferentes níveis de umidade e necessitar de diferentes
quantidades de água.
Tendo em vista essa e outras necessidades, surgiu a Agricultura de Precisão, que
visa otimizar a utilização dos insumos de forma a reduzir os custos com a produção, aumentar
a produtividade e a qualidade do cultivo e reduzir impactos ambientais provenientes de
atividades agrícolas. Tal ideia apareceu no início do século XX, mas tornou-se mais viável
durante a década de 1980 nos EUA e na Europa, com o desenvolvimento e a popularização de
computadores, sensores e softwares. No Brasil, devido ao alto custo de aquisição e manutenção
dos equipamentos utilizados, a agricultura de precisão ainda não está bem difundida entre os
cultivadores (LAMPARELLI, 2015).
Pensando nos problemas mencionados anteriormente, o objetivo deste trabalho foi
desenvolver um protótipo de dispositivo, preferencialmente partindo de módulos funcionais
independentes, já desenvolvidos e documentados por suas fabricantes, controlado através de
comunicação sem fio, para cultivos ao ar livre capaz de fornecer informações sobre a umidade
do solo, alimentado por energia solar em conjunto com super capacitor, com o menor custo de
produção possível e de fácil instalação.
Para atingir tal objetivo, primeiramente foi necessário projetar seu circuito elétrico.
Em seguida, os componentes e módulos presentes no circuito elétrico foram analisados,
15
selecionados e adquiridos. Com o circuito elétrico montado, um firmware foi desenvolvido e
testado para o microcontrolador principal do protótipo. E por fim, testes foram executados para
garantir o perfeito funcionamento do protótipo.
Tal proposta tem como público-alvo cultivadores com poucos recursos financeiros
e que necessitem otimizar o consumo de água do seu plantio, provendo apenas o necessário
para as plantas.
Este trabalho está dividido nas seguintes seções: Trabalhos Relacionados,
Fundamentação Teórica, Procedimentos Metodológicos, Resultados e Discussão, Trabalhos
Futuros e Considerações Finais.
2 TRABALHOS RELACIONADOS
Nesta seção, serão apresentados trabalhos que possuem semelhanças com este que
foi desenvolvido.
Hanggoro (2013) desenvolveu um protótipo de dispositivo, coordenado por uma
aplicação Android, capaz de monitorar e controlar a umidade dentro de uma greenhouse, que é
uma estufa ao ar livre construída com paredes e teto feitos principalmente de material
transparente como o vidro.
O microcontrolador ATMega328P extrai os dados do sensor de umidade do ar, os
envia para um computador central, que por sua vez, os disponibiliza através de uma rede sem
fio. O software embarcado no microcontrolador também disponibiliza a recepção de comandos
para o controle da greenhouse, ativando ou desativando os sprays de água no interior da
greenhouse. O dispositivo Android que possui a aplicação coordenadora instalada se conecta à
rede sem fio e tem acesso tanto aos dados vindos do sensor de umidade do ar quanto ao envio
de comandos para coordenar os sprays de água da greenhouse. A alimentação do protótipo é
feita através de uma fonte de corrente contínua.
Silva et al. (2013) apresenta um protótipo de dispositivo que possibilita o controle
automático da umidade do solo em uma pequena área de cultivo. O microcontrolador
ATMega328P obtêm os dados do sensor resistivo de umidade do solo SEN0114 e, de acordo
com constantes de solo pré-estabelecidas arbitrariamente pelos autores, o microcontrolador
decide sobre a ativação ou desativação da válvula solenoide, responsável pela irrigação do solo.
Tal protótipo é alimentado por energia solar, uma vez que se utiliza de um mini
painel fotovoltaico capaz de gerar até 15V de tensão contínua, energizando facilmente o circuito
elétrico. Como o protótipo não possui baterias para o armazenamento de cargas elétricas vindas
do painel fotovoltaico, o sistema só funciona durante o período diurno. Segundo Silva et al.
16
(2013), a aquisição de todos os componentes utilizados em seu protótipo custou por volta de
R$240,00, não incluindo as conexões hidráulicas e mangueiras no valor mencionado.
Assim como Hanggoro (2013) e Silva et al. (2013), este trabalho desenvolveu um
protótipo de dispositivo que se utilize de energia renovável, como a energia solar, para
monitoramento do solo, capaz de extrair dados sobre sua umidade enviá-los através de uma
rede sem fio para qualquer dispositivo que se comunique com o dispositivo wireless presente
no protótipo.
Silva et al. (2013) e Hanggoro (2013) implementam formas de controle do ambiente
onde seus protótipos estão instalados. Como este trabalho visou também reduzir o consumo de
energia e os custos suplementares do protótipo, se limitou apenas ao monitoramento da umidade
do solo. Hanggoro (2013) utiliza um dispositivo de comunicação sem fio que implementa o
protocolo IEEE 802.11 para se conectar ao aparelho Android. Para realizar esta conexão, o
protótipo proposto neste trabalho tentou se utilizar de um dispositivo Bluetooth, mas este não
se adequou ao trabalho e precisou ser substituído por um dispositivo de rádio frequência (RF)
específico para sistemas embarcados.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Sensor de umidade do solo
Existem diversos métodos para medição de umidade do solo, cada um com suas
particularidades e aplicações. Alguns parâmetros como precisão, tempo de leitura e custo para
medição devem ser considerados na escolha do método que vai ser utilizado (DE SOUZA
MENDES, 2006).
Podemos classificar os métodos de medição de umidade do solo em duas categorias:
diretos ou indiretos. O método direto consiste em obter uma amostra do solo, retirar toda a água
contida nesta amostra e quantificar o volume de água retirado. O método indireto utiliza
propriedades físicas (capacitância, resistência elétrica, pressão e etc.) que variam de acordo com
a quantidade de água presente no solo (DE SOUZA MENDES, 2006).
Costa et al. (2013) afirma que os métodos indiretos são amplamente utilizados em
pesquisas e sistemas de agricultura de precisão para monitoramento do teor de água no solo,
devido à praticidade, rapidez e a possibilidade de repetir medições em uma determinada área
do solo várias vezes em um curto espaço de tempo a fim de reduzir a margem de erro das
leituras. Segundo Silva et. al. (2008) para aumentar o nível de precisão dos métodos indiretos
é necessário realizar calibrações para adaptação ao ambiente no qual o dispositivo de medição
será implantado.
17
Os sensores de umidade do solo implementam os métodos indiretos, pois atuam no
monitoramento da variação de propriedades físicas do solo para estimar o volume de água
contido no mesmo.
Sensor é um dispositivo que gera uma grandeza no domínio da eletricidade que pode
ser utilizada como medida de um parâmetro físico, químico ou biológico. No caso do
sensor de umidade, informações de grandezas no domínio da eletricidade representam
a medida de umidade no solo. (DE SOUZA MENDES, 2006, p.27).
Os sensores de umidade do solo mais comuns e de simples funcionamento utilizam
os métodos indiretos listados abaixo:
Método da Capacitância Elétrica
Método dos Blocos de Resistência Elétrica
Sensores de umidade de solo que utilizam o método da capacitância elétrica são
popularmente chamados de capacitivos. Já os que utilizam o método dos blocos de resistência
elétrica são conhecidos como resistivos.
O sensor resistivo de umidade do solo funciona monitorando a variação da
resistência elétrica entre dois eletrodos embutidos no solo. A resistência elétrica medida pelo
sensor é inversamente proporcional à umidade do solo (DE SOUZA MENDES, 2006), ou seja,
quanto mais água presente no solo menor será a resistência elétrica medida.
Umas das principais vantagens gerais da utilização do sensor resistivo de umidade
do solo são o baixo custo de aquisição, a simples operação do sensor e a alta disponibilidade no
mercado. No entanto, este tipo de sensor não dispõe de alta precisão nas leituras de umidade do
solo (BENEDÍ; MUÑOZ-CARPENA, 2005). É desejável que a superfície de contato da sonda
esteja completamente inserida no solo para a obtenção de melhores resultados.
A Figura 1, apresenta o FC-28, fabricado pela Shenzhen Guangfasheng Technology
Co., Ltd., um modelo de sensor resistivo de umidade do solo composto separadamente por uma
sonda de detecção de umidade do solo e seu módulo para comunicação com o microcontrolador
através de saída analógica de tensão. Em lojas internacionais, possui valores entre $0,50 e $3,00
dólares. Já no Brasil, seu custo médio fica entre R$11,00 e R$16,00.
18
Figura 1 – Sensor resistivo de umidade do solo, modelo FC-28
Fonte: aliexpress.com1.
A separação da sonda de detecção do módulo de comunicação vem como uma
vantagem, permitindo assim isolar o módulo de comunicação que não é a prova de água.
A Figura 2, apresenta o SEN0114, fabricado pela DFRobot, semelhante ao sensor
resistivo de umidade do solo mencionado anteriormente. Em lojas internacionais, possui valores
em torno de $4,80 dólares. No Brasil, seus preços variam entre R$30,00 e R$40,00.
Figura 2 – Sensor resistivo de umidade do solo, modelo SEN0114
Fonte: dfrobot.com2.
A diferença principal é a junção da sonda de detecção com o módulo de
comunicação, fazendo com que este sensor seja de peça única. A principal vantagem são os
terminais de sua sonda banhados a ouro, para uma maior proteção contra a corrosão causada
pelo solo. A desvantagem é que, como o módulo de comunicação não é a prova de água e está
soldado à sonda de detecção, deve-se isolá-lo para protege-lo, pois, a sonda de detecção estará
em contato direto com água e respingos podem atingir o módulo.
1 http://pt.aliexpress.com/item/FC-28-Soil-Hygrometer-Humidity-Detection-Module-Moisture-Water-Sensor-
for-Arduino-Free-Shipping/32655811520.html 2 http://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=Moisture_Sensor_(SKU:SEN0114)
19
O sensor capacitivo de umidade do solo, atua medindo a constante dielétrica do solo
por tempo decorrido ao emitir um pulso eletromagnético, gerado por hastes de metal
introduzidas no solo. O tempo decorrido é calculado proporcionalmente à constante dielétrica
do solo e tem sua variação diretamente ligada ao volume de água contido no solo (SILVA,
2013).
Silva (2013) diz que sensores capacitivos tem seu método de medição complexo.
Devido a isso, eles precisam de componentes eletrônicos sofisticados e caros, tornando seu
custo de aquisição elevado. A maior vantagem fica por conta da alta precisão. Em contrapartida,
a área de cobertura para a determinação da umidade do solo é bem limitada.
A Figura 3, apresenta o SHT10, fabricado pela Sensirion, um sensor capacitivo de
umidade do solo, de peça única desmontável, com seu módulo de comunicação dentro da sonda
de detecção. Este modelo também é capaz de extrair dados sobre a temperatura do solo. Em
lojas internacionais, seu preço de aquisição varia entre $30,00 e $40,00 dólares. Não foi possível
encontrar ofertas deste sensor no Brasil.
Figura 3 – Sensor capacitivo de umidade do solo, modelo SHT10
Fonte: seeedstudio.com3.
A Figura 4, apresenta o SEN0193, fabricado pela DFRobot, um sensor capacitivo
de umidade do solo com formato semelhante ao sensor presente na Figura 2, com o módulo de
comunicação soldado à sonda de detecção, exposto e correndo o risco de entrar em contato com
água, sendo que este também não é a prova de água. A sonda de detecção possui proteção à
corrosão causada pelo contato direto com o solo, fazendo com que sua vida útil se prolongue.
Em lojas internacionais, seu preço de aquisição é cerca de $8,00 dólares. Não foi possível
encontrar ofertas deste sensor no Brasil.
3 http://seeedstudio.com/depot/Soil-Moisture-Temperature-Sensor-p-1356.html
20
Figura 4 – Sensor capacitivo de umidade do solo, modelo SEN0193
Fonte: dfrobot.com4.
Os sensores resistivos de umidade do solo são soluções menos custosas que os
sensores capacitivos de umidade do solo. Não haverá necessidade da alta precisão fornecida
pelo sensor capacitivo, visto que o nível de precisão do sensor resistivo é suficiente para a
finalidade do protótipo. Sendo assim, o sensor resistivo de umidade do solo se adequa melhor
ao protótipo proposto neste trabalho.
3.2 Dispositivo de comunicação wireless
Um dispositivo de comunicação wireless permite realizar trocas de dados entre
aplicações, sem a necessidade de cabos. Deve-se adotar tal tipo de dispositivo quando surgir a
necessidade de criar uma rede de comunicação entre dispositivos, em que esta seja inviável por
meio de cabos (INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO, 2016). Um exemplo seria ter
que receber dados de sensores remotos, geograficamente distribuídos em um ambiente amplo,
em que não seja possível utilizar cabos para interconectá-los.
A Figura 5, apresenta o HC-06, um dispositivo wireless Bluetooth que adota
exclusivamente o perfil de uso SPP5 (Serial Port Profile), permitindo emular portas seriais reais
entre o par de dispositivos conectados para a transmissão de dados brutos entre eles. É
importante ressaltar que um dispositivo Bluetooth pode implementar um ou mais perfis de uso.
A distância máxima entre os dispositivos conectados é de 10 metros, sendo ideal
para conexões ponto-a-ponto e de curto alcance. Permite também alterar configurações de nome
do dispositivo, senha para acesso, endereço físico e velocidade de comunicação através de
comandos AT6 (ATtention). Por causa de sua popularidade, existem muitos dispositivos que
possuem um módulo Bluetooth e estariam aptos a executarem aplicações que pudessem
consumir os dados fornecidos por um sistema embarcado com este dispositivo wireless.
4 http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&product_id=1385&search=sen0193 5 https://www.bluetooth.org/docman/handlers/DownloadDoc.ashx?doc_id=260866&vId=290097 6 http://www.linotux.ch/arduino/HC-0305_serial_module_AT_commamd_set_201104_revised.pdf
21
Figura 5 – Dispositivo wireless Bluetooth exclusivo para o
perfil de uso SPP
Fonte: buildbot.com.br7.
Compatível com qualquer microcontrolador que possua comunicação serial, este
dispositivo wireless possui quatro terminais de conexão, onde dois deles são para a sua
alimentação por corrente contínua e os outros dois são entrada (RX) e saída (TX) de dados para
a comunicação com o microcontrolador.
A Figura 6, apresenta o XBee XB24-Z7WIT-004, fabricado pela Digi International
Inc., um dispositivo wireless que implementa a especificação ZigBee8, que possui ênfase em
baixa potência de operação e comunicação utilizando sinais de radiofrequência não licenciados
(VASQUES, 2016). Possui velocidade de transmissão de dados de 250kbps e pode alcançar
outro dispositivo distante cerca de 100 metros. Permite conexões ponto-a-ponto e multiponto,
podendo formar uma rede mesh de dispositivos wireless.
Figura 6 – Dispositivo wireless XBee que implementa a
especificação ZigBee
Fonte: sparkfun.com9
7 http://buildbot.com.br/blog/configuracao-do-modulo-bluetooth-hc-06-com-arduino/ 8 http://www.zigbee.org/ 9 https://www.sparkfun.com/products/10414
22
Sua comunicação com o microcontrolador é bastante parecida com a comunicação
serial, chamada SPI10 (Serial Peripheral Interface), que é um protocolo utilizado para
comunicação serial de modo síncrono entre periféricos por meio de endereçamentos master-
slave.
A Figura 7, apresenta um comparativo entre as tecnologias Bluetooth, ZigBee e
ANT.
Figura 7 – Comparativo entre padrões de comunicação sem fio
Fonte: Adaptado de gsm-modem.de11.
Pode-se notar a diferença de tempo de vida de uma bateria coin-cell, entre o padrão
Bluetooth e o padrão ZigBee.
A Figura 8, apresenta o NRF24L01+, fabricado pela Nordic Semiconductior12, um
dispositivo wireless com foco em baixa potência de operação e baixo custo de aquisição. Possui
uma velocidade de transmissão de dados que pode ser alterada, tendo como opções 250kbps,
1Mbps e 2Mbps. Também permite conexões ponto-a-ponto e multiponto, também podendo
implementar uma rede mesh entre vários nós.
Figura 8 – Dispositivo wireless NRF24L01+
Fonte: dx.com13.
10 https://www.arduino.cc/en/Reference/SPI 11 http://www.gsm-modem.de/M2M/m2m-componets/comparison-of-ant-zigbee-bluetooth/ 12 http://www.nordicsemi.com 13 http://www.dx.com/pt/p/nrf24l01-2-4ghz-wireless-transceiver-module-black-149483
23
Sua comunicação com o microcontrolador também utiliza o protocolo SPI
mencionado anteriormente.
A Tabela 1, apresenta um comparativo entre os dispositivos de comunicação
wireless apresentados nesta seção. Os custos mencionados dizem respeito às lojas brasileiras.
Tabela 1 – Comparação entre os dispositivos de comunicação wireless utilizados
Dispositivo wireless Consumo com tensão de 3.3V Custo médio de aquisição (un)
Bluetooth 50mA Entre R$22,00 e R$30,00
XBee 40mA Entre R$110,00 e R$200,00
NRF24L01+ 12mA Entre R$7,00 e R$11,00
Fonte: Elaborada pelo autor.
É evidentemente notado que o NRF24L01+ possui maior vantagem para sistemas
embarcados que devem consumir pouca energia e que o custo para aquisição seja um fator
determinante na seleção dos dispositivos. Logo, o dispositivo wireless que mais se adequa ao
trabalho é o NRF24L01+.
3.3 Microcontrolador
Um microcontrolador é um circuito integrado compacto que possui os elementos
essenciais de computador incorporados a um único chip, com um baixo consumo de energia e
programado para ser exclusivamente dedicado ao sistema embarcado do qual ele faz parte.
A Figura 9, apresenta uma arquitetura genérica e sintetizada de um
microcontrolador.
Figura 9 – Arquitetura genérica de um microcontrolador
Fonte: Mechatronics and Measurement Systems, Colorado State University14.
14 https://www.engr.colostate.edu/~dga/mech307/lectures.html
24
Este possui uma unidade de processamento (CPU), memória de acesso aleatório
(RAM) para o armazenamento temporário de dados de execução do firmware e portas digitais
I/O para acionamento de atuadores externos ou para acionamento de rotinas internas.
O firmware da aplicação é armazenado na memória não volátil do
microcontrolador, um tipo de memória que mantém os dados mesmo após a interrupção do
fluxo de eletricidade. Um microcontrolador pode possuir vários tipos de memórias não voláteis
embarcadas em seu chip, cada uma com suas finalidades, tanto para manter informações
permanentes quanto para poder gravar e regravar seu firmware.
O sensor de umidade do solo se conecta ao microcontrolador através de suas portas
analógicas, sendo que o sensor utiliza portas de saída e o microcontrolador utiliza portas de
entrada, ligadas internamente ao conversor analógico/digital (A/D) que realiza a conversão de
sinais analógicos em uma palavra digital equivalente e as envia para a CPU processar
(GIACOMIN, 2016).
Para a realização do intercâmbio de dados com outros dispositivos, o
microcontrolador pode possuir diversos tipos de protocolos de comunicação, sendo alguns deles
ilustrados na Figura 9 por “serial communication”, flexibilizando a variedade de dispositivos
que podem ser utilizados para realizar as trocas de dados necessárias.
Partindo das necessidades de conexão com os módulos, acima mencionadas, os
requisitos mínimos para selecionar um microcontrolador para este trabalho são:
Possuir conversor A/D, para realizar conversão e leitura dos dados
analógicos vindos do sensor de umidade do solo.
Possuir os protocolos de comunicação: SPI e UART/USART, para realizar
a comunicação com o dispositivo wireless que fará o envio dos dados de
umidade.
Possuir no mínimo 1KB de RAM para a execução do firmware.
A Tabela 2, apresenta uma relação de microcontroladores que atendem aos
requisitos não-funcionais acima mencionados. Estas são opções para conseguir reduzir custos
de produção. No entanto, tais modelos são difíceis de encontrar em lojas brasileiras, sendo mais
facilmente disponíveis internacionalmente. Os preços presentes na tabela abaixo são referentes
à compra de uma unidade utilizando o dólar como moeda.
25
Tabela 2 – Especificações de microcontroladores com os requisitos mínimos para seleção
Fabricante Referência do
fabricante
Largura do
Barramento
Tamanho
da
memória
para
armazenar
o firmware
Clock
Máximo
Preço
(dólar)
STMicroeletronics STM8L151F3U6TR 8-Bit 8KB 16MHz $1,83
Silicon Labs C8051F394-A-GM 8-Bit 8KB 50MHz $1,15
Microchip-
Technology PIC16F1847-I/SO 8-Bit 14KB 32MHz $1,50
Microchip-
Technology PIC16F1518-I/SO 8-Bit 28KB 20Mhz $1,43
Fonte: Adaptado de digikey.com15.
A Figura 10, apresenta o microcontrolador utilizado neste trabalho. Trata-se do
ATMega328P16, fabricado pela ATMEL17, fixado em uma placa de circuito, contendo apenas
os componentes mínimos para entrar em atividade e pronto para prototipação ou para utilização
em produção. Sendo selecionado por ser de fácil prototipação e ser acessível tanto
financeiramente quanto por sua vasta disponibilidade nos mercados brasileiro e internacional.
Figura 10 – ATMega328P fixado em placa de circuito.
Fonte: Naylamp Mechatronics18
15 http://www.digikey.com/product-search/en/integrated-circuits-ics/embedded-
microcontrollers/2556109?FV=2740004%2C2740006%2C2740008%2C274000e%2C274000f%2C2740013%2
C2740017%2C274001c%2C274003e%2C274005c%2C2740063%2C274006f%2C2740070%2C2740071%2C27
40072%2C274008e%2C2740120%2C2740177%2C2740178%2C46c0005%2C4880003%2C4880041%2Cfff40
027%2Cfff800cd&ColumnSort=156&page=3&stock=1&pbfree=1&rohs=1&k=SPI+UART+USART&k=A%2F
D&pageSize=500&pkeyword=SPI+UART+USART 16 http://www.atmel.com/pt/br/devices/ATMEGA328P.aspx 17 http://www.atmel.com/pt/br/ 18 http://www.naylampmechatronics.com/arduino-tarjetas/145-arduino-pro-mini-328-33v8mhz.html
26
Possui 2KB de RAM, largura de barramento de dados de 8 bits, 32KB de memória
para armazenar o firmware e um clock máximo de 20MHz. Este atende aos requisitos não-
funcionais descritos anteriormente, mas custa mais caro do que os microcontroladores
mencionados na Tabela 2. Seu custo em lojas internacionais é cerca de $3 dólares. Em lojas
brasileiras, pode ser encontrado entre R$11,00 e R$16,00. Este microcontrolador não é o ideal,
visto que é possível substituí-lo por opções mais econômicas, mas sendo escolhido
principalmente por possuir oferta abundante no mercado nacional.
3.4 Fonte de energia renovável e limpa
Segundo Pena (2016), fontes de renováveis de energia podem ser definidas como
formas para produção de energia em que suas fontes estarão ativas por um longo prazo,
utilizando recursos que se regeneram ao longo do tempo ou estarão ativas permanentemente.
Fogaça (2016) diz que fontes limpas de energia se referem às fontes que não
produzem poluentes para a geração de energia, mas mesmo estas ainda causam um mínimo
impacto ambiental de forma indireta. Dentre tais tipos de energia, pode-se citar a energia eólica,
a energia maremotriz, a energia geotérmica e os biocombustíveis. Devido aos avanços do
aquecimento global, tem-se adotado fontes limpas de energia, pois estas não contribuem para
tais avanços.
A energia solar também é um exemplo de fonte de energia renovável e limpa. Esta
é a que menos causa impactos ambientais. Segundo Fogaça (2016), os impactos ambientais
causados ocorrem somente na extração e no processamento do silício, o componente principal
para fabricação de painéis solares. Suas maiores desvantagens são o custo elevado para
aquisição de painéis fotovoltaicos e a irregularidade no fornecimento de energia. Por mais que
esta tecnologia ainda seja de alto custo de instalação, os investimentos são compensados a longo
prazo, reduzindo impactos ambientais e possuindo autossuficiência para a alimentação de um
dispositivo eletrônico. É importante salientar que os custos para construção de tais painéis vêm
diminuindo ao longo dos anos e isso vem baixando seus preços de aquisição.
Esta tecnologia para obtenção de energia foi adotada neste trabalho por causar o
menor impacto ambiental dentre os tipos de energias renováveis citadas anteriormente, permitir
uma maior facilidade para obtenção do equipamento necessário para geração de energia, tornar
flexível o lugar de instalação de tal equipamento, ter sua manutenção simples, sendo necessário
apenas limpar a superfície do painel fotovoltaico e possuir uma longa vida útil.
O painel fotovoltaico gera energia limpa através de um conjunto de células
fotovoltaicas, construídas com material semicondutor, que conseguem gerar um fluxo elétrico
27
entre seus terminais a partir de fótons que incidem sobre sua superfície. A intensidade do fluxo
elétrico é proporcional à intensidade de luz incidente (NASCIMENTO, 2004).
A Figura 11, apresenta um exemplar de mini painel fotovoltaico, capaz de gerar até
5V de tensão com uma corrente contínua máxima de 140mA. Esta categoria de painéis
fotovoltaicos é mais voltada para a alimentação de pequenos dispositivos eletrônicos, devido
seu tamanho e sua capacidade elétrica.
Figura 11 – Mini painel fotovoltaico
Fonte: aliexpress.com19
Como seu fornecimento de energia é variável, mesmo durante o dia, surge a
necessidade de compensar essa variação para não desligar o dispositivo eletrônico que está
sendo alimentado pelo painel fotovoltaico. Um exemplo corriqueiro, seriam muitas nuvens
passando e cobrindo temporariamente a luz solar, fonte de energia para o painel fotovoltaico.
Para contornar este impasse, é necessário um componente que possa armazenar
cargas elétricas e liberá-las quando necessário, de forma breve, alimentando assim o dispositivo
eletrônico temporariamente. Em virtude dessa possível irregularidade no fornecimento de
energia, mencionada anteriormente, tal componente armazenador de cargas também necessita
possuir uma alta tolerância à ciclos de carga e descarga.
A Figura 12, apresenta um comparativo entre dois possíveis componentes para o
armazenamento de cargas elétricas, com vantagens e desvantagens de cada um.
19 http://pt.aliexpress.com/item/New-5V-1-3W-Mini-Solar-Panel-Module-DIY-for-Cell-Charger-Toy-Durable-
81038/32557735580.html
28
Figura 12 – Comparativo entre bateria comum de íons de lítio e super capacitor
Fonte: adaptado de (BATTERY UNIVERSITY, 2015).
A quantidade de ciclos de carga e descarga de um super capacitor é cerca de duas
mil vezes maior que uma bateria comum de íons de lítio, podendo durar de dez a quinze anos
em atividade. Em contrapartida, tal bateria pode fornecer um nível estável de tensão e por um
período de tempo maior. Já o super capacitor, descarrega rapidamente e tende a diminuir sua
tensão, em escala linear, necessitando de um regulador de tensão.
Com a evolução da tecnologia de construção dos super capacitores, foi possível
reduzir significativamente seus tamanhos, seus preços e prolongar sua vida útil em relação as
baterias que utilizam reação química para gerarem energia elétrica (BATTERY UNIVERSITY,
2015).
O super capacitor foi adotado neste trabalho por possuir um ciclo de vida mais longo
do que a bateria, evitando qualquer tipo de manutenção por um longo período de tempo. Outro
fator decisivo é a poluição causada pelo descarte, em locais indevidos, de baterias químicas que
podem contaminar e poluir o meio em que foram deixadas. Mesmo possuindo um custo mais
elevado em relação a bateria, assim como o painel fotovoltaico, o investimento é compensado
a longo prazo.
Um capacitor permite o armazenamento de cargas elétricas através de um campo
elétrico criado ao energizar suas armaduras de metal internas separadas por um isolante. Estes
são pouco empregados para a alimentação de circuitos elétricos por conta de sua baixa
capacitância, ou, capacidade de armazenar cargas elétricas. O super capacitor é um
aprimoramento do capacitor, com uma alta capacitância, podendo alimentar sistemas
embarcados por um período de tempo mais longo (BATTERY UNIVERSITY, 2015).
29
A Figura 13, apresenta um exemplar de super capacitor que pode ser recarregado
com até 5.5V de tensão contínua.
Figura 13 – Super capacitor
Fonte: e-dualcom.com.br20.
4 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Os procedimentos elucidados nesta seção foram definidos baseados em um
processo para desenvolvimento de sistemas embarcados pertencente ao orientador deste
trabalho, porém ainda não publicado, adaptando as fases do processo de desenvolvimento de
software RUP21 (Rational Unified Process) para o âmbito de desenvolvimento de sistemas
embarcados, com o objetivo de auxiliar a elicitação de requisitos para sistemas embarcados, a
identificação, a definição, o desenvolvimento e a integração dos subsistemas presentes no
sistema embarcado. Este processo ainda prevê quais artefatos e documentos devem ser
fornecidos para realizar qualquer tipo de modificação nos subsistemas, para fins de adaptação
às necessidades.
A Figura 14, apresenta uma visão geral do processo de desenvolvimento de sistemas
embarcados, mencionado no parágrafo anterior. Tal processo será executado para a construção
do protótipo proposto neste trabalho com o objetivo de guiar todo seu desenvolvimento, mas,
assim como o RUP, pode sofrer adaptações para o escopo do trabalho como a filtragem de fases,
artefatos e documentos suplementares.
20 https://e-dualcom.com.br/componentes-eletronicos/super-capacitores/super-cap-elet-rd-1-5f-5-5v-d20-5h7-5-
pth 21 http://www.wthreex.com/rup/smallprojects/index.htm
30
Figura 14 – Visão geral do processo de desenvolvimento de sistemas embarcados
Fonte: Pertencente ao orientador.
As figuras seguintes detalham as três fases mais densas deste processo que são, a
definição, o desenvolvimento e a integração de subsistemas, identificadas na Figura 14 por um
símbolo de adição dentro de suas caixas. Tais fases comportam-se como subprocessos, uma vez
que são mais complexas que outras fases, necessitam da criação de subfases e geram artefatos
intermediários para serem utilizados durante seu workflow.
31
A Figura 15, apresenta o subprocesso de definição de subsistemas que auxilia na
decisão de adotar um subsistema compatível já existente ou desenvolver um subsistema que
atenda às necessidades do projeto.
Figura 15 – Subprocesso de definição de subsistemas
Fonte: Pertencente ao orientador.
32
A Figura 16, apresenta o subprocesso de desenvolvimento de subsistemas, indo
desde o desenvolvimento do circuito elétrico até a escrita do firmware para o subsistema.
Figura 16 – Subprocesso de desenvolvimento de subsistemas
Fonte: Pertencente ao orientador.
33
A Figura 17, apresenta o subprocesso de integração de subsistemas, indo do caso
no qual a integração de dois ou mais subsistemas necessita de um circuito elétrico intermediário,
até a integração dos firmwares dos subsistemas.
Figura 17 – Subprocesso de integração de subsistemas
Fonte: Pertencente ao orientador.
34
4.1 Elicitar os requisitos do protótipo
Devido a limitação causada pela adoção da energia solar como fonte de energia do
protótipo, aliada à evaporação da água presente no solo, ocorrendo majoritariamente durante o
período diurno, o monitoramento da umidade do solo se faz necessário apenas durante este
período.
Este protótipo deve apenas fornecer as informações de umidade do solo no qual está
inserido, ficando a cargo da aplicação requisitante dos dados definir horários e frequência de
leitura desses dados e estabelecer critérios para categorizar os níveis de umidade de acordo com
o tipo de solo em que o protótipo será implantado.
4.2 Projetar o circuito elétrico do protótipo
Seguindo o processo de desenvolvimento de sistemas embarcados mencionado
anteriormente, após levantar os requisitos do protótipo, para iniciar a projeção do circuito
elétrico é necessário identificar os subsistemas que deverão compor o sistema embarcado.
Subsistemas estão definidos neste trabalho como módulos de hardware com
finalidades específicas, ou seja, partes de hardware independentes especializadas em uma única
tarefa.
A Figura 18, ilustra os quatro subsistemas identificados para este trabalho e suas
interações.
Figura 18 – Ilustração de interação entre os subsistemas identificados
Fonte: Elaborada pelo autor.
A fonte de energia deve alimentar todos os outros subsistemas, o sensor de umidade
do solo se comunica diretamente com o microcontrolador, que envia os dados de umidade para
o dispositivo de comunicação wireless poder disponibilizá-los à um dispositivo semelhante
requisitante.
35
A Figura 19, apresenta o diagrama esquemático do circuito elétrico do protótipo,
com todos os subsistemas integrados.
Figura 19 – Diagrama esquemático do protótipo
Fonte: Elaborada pelo autor.
A ferramenta Fritzing22 foi utilizada para projetar os diagramas esquemáticos.
4.3 Analisar e selecionar os componentes e peças para a construção do protótipo
Os componentes foram selecionados de acordo com suas respectivas funções no
diagrama esquemático apresentado anteriormente na Figura 19. Foram realizadas pesquisas
em lojas de e-commerce e fornecedores especializados em componentes eletrônicos, tanto
virtualmente quanto fisicamente, levando em consideração o custo para aquisição, a
adaptabilidade ao projeto, a durabilidade, a qualidade e a pouca necessidade de manutenção.
Alguns componentes do subsistema fonte de energia precisaram ser adaptados, pois
os componentes ideais não estavam disponíveis para aquisição por questão de escassez de
oferta. Felizmente, tais adaptações não causaram problemas ao circuito.
4.4 Desenvolver o firmware para o microcontrolador
O firmware foi desenvolvido visando principalmente economia de energia. Para seu
desenvolvimento foi utilizado a plataforma Arduino, por conta de suas facilidades para
22 http://fritzing.org/home
36
prototipação rápida, juntamente com o USBASP 2.023, um gravador de firmware para
microcontroladores AVR ATMEL.
A Figura 20, apresenta a modelagem de todos os possíveis estados e eventos do
firmware. É importante salientar que os eventos para mudança de estado podem ocorrer a
qualquer momento durante a execução da aplicação.
Figura 20 – Diagrama de máquina de estado
Fonte: Elaborada pelo autor.
Assim que iniciado, o microcontrolador é colocado no estado “Dormindo” por 1
minuto, até que o super capacitor atinja sua carga completa. Quando o microcontrolador se
encontra neste estado, permanece no modo de economia de energia. A mudança para o estado
composto “Conectado” ocorre quando o subsistema de comunicação wireless encontra uma
rede compatível para se conectar. Ele avisa ao microcontrolador, dando início à coleta e ao
envio de dados para a o receptor presente na rede. A volta para o estado “Desconectado” ocorre
quando o subsistema de comunicação wireless perde sua conexão com a rede.
O fluxo completo da comunicação do protótipo está ilustrado pela Figura 21.
Partindo do usuário que deseja receber informações sobre a umidade do solo do seu cultivo
neste exato momento, até a leitura sendo feita no sensor e em seguida retornando para a
aplicação requisitante.
23 http://www.fischl.de/usbasp
37
Figura 21 – Fluxo completo de comunicação do protótipo
Fonte: Elaborada pelo autor.
Seguindo o diagrama de comunicação acima mencionado em conjunto com o
diagrama de estado apresentado na Figura 20, sempre que o microcontrolador entrar no estado
“Conectado”, o passo 4 será executado e haverá um loop do passo 5 ao passo 10 até que o
“eventoDesconectado” seja disparado, colocando assim o microcontrolador no estado
“Desconectado” e em seguida “Procurando Rede”, até que o “eventoConectado” seja disparado,
reiniciando o fluxo.
Os diagramas das Figuras Figura 20 e Figura 21 foram elaborados utilizando a
ferramenta Astah Professional24, registrada com uma licença para estudantes.
O firmware desenvolvido também permite criar uma rede de sensores para o
monitoramento de um terreno de cultivo mais amplo. Bastar criar vários protótipos idênticos e
estabelecer o nó receptor que concentrará os dados. É importante salientar que os nós devem
possuir ID’s diferentes para poderem se comunicar através da rede. Essa configuração é
facilmente alterável no firmware.
24 http://astah.net/editions/professional
38
4.5 Desenvolver a aplicação para comunicação com o protótipo
O dispositivo wireless utilizado neste trabalho possui uma restrição de apenas se
comunicar com um dispositivo wireless semelhante. Assim sendo, foi igualmente utilizado um
microcontrolador ATMega328P, também utilizando a plataforma Arduino para desenvolver seu
firmware, em conjunto com outro dispositivo wireless NRF24L01+, apenas para receber os
dados vindos do protótipo e disponibilizá-los através da porta serial do microcontrolador para
uma aplicação requisitante qualquer que possua uma interface para este tipo de comunicação.
4.6 Testar e acompanhar o protótipo em execução
A Figura 22, apresenta a integração de todos os subsistemas no ambiente de testes
para a execução dos mesmos.
Figura 22 – Integração dos subsistemas no ambiente de testes
Fonte: Elaborada pelo autor
Os testes de campo do protótipo proposto neste trabalho foram realizados em um
espaço aberto, em dias ensolarados, com terra de um terreno de cultivo que é característico do
clima local da cidade de Quixadá.
4.7 Analisar e avaliar os resultados obtidos nos testes
Após executados os testes, foram analisados a precisão das leituras do sensor de
umidade do solo, o tempo de atividade do protótipo utilizando duas pilhas AA de 1.5V cada,
39
somando assim 3V, como fonte de energia e o consumo de energia total do protótipo utilizando
o painel solar como fonte de energia.
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O subsistema gerenciador de energia forneceu energia suficiente para alimentar o
protótipo corretamente entre às 08:00 e às 16:00 horas. Também foi observado que durante o
carregamento do super capacitor, a alimentação dos subsistemas ficou um pouco prejudicada.
Felizmente, demorou por volta de 1 minuto até o super capacitor ser carregado completamente.
Após esse tempo, os subsistemas entram em atividade normalmente.
Com o super capacitor completamente carregado e interrompendo a energia provida
pelo painel fotovoltaico, foi possível manter o protótipo ligado e operacional durante um pouco
mais de 1 minuto.
Substituindo o subsistema gerenciador de energia por duas pilhas AA de 1.5V cada,
totalizando 3V, sendo conectado ao regulador de 3.3V e este ao restante dos subsistemas, o
protótipo manteve-se ativo por aproximadamente 19h.
Após este tempo, o subsistema de comunicação wireless foi automaticamente
desligado por deficiência na sua alimentação. Sendo assim, o protótipo foi classificado como
inoperante, pois perdeu sua capacidade de transmitir os dados sobre a umidade do solo. No
entanto, os subsistemas microcontrolador e sensor de umidade do solo mantiveram-se ativos
mesmo com a tensão abaixo de 3V.
Durante este tempo, o protótipo foi submetido a perdas propositais da conexão, bem
como sua reconexão ao receptor dos dados, a fim de obter informações sobre o consumo do
protótipo em estados diferentes. Sempre com a tensão fixa em 3.3V, o estado “Procurando rede”
consome por volta de 21mA e sem variações, enquanto que o estado composto “Conectado”
tem seu consumo variando entre 15mA e 21mA. Os estados acima mencionados pertencem ao
diagrama de máquina de estado presente na Figura 20.
A precisão do sensor de umidade do solo foi satisfatória, mas não ideal. Foi inserido
em aproximadamente 2Kg de terra em um vaso e próximo à raiz da planta. Sua medição só é
precisa após a água despejada se infiltrar no solo da forma mais homogênea possível aos
arredores da sonda de detecção do sensor de umidade do solo. A velocidade de infiltração da
água no solo vai variar com o tipo de solo adotado para cultivo. Essa velocidade influenciará
no tempo de resposta e na precisão da leitura do sensor de umidade do solo.
Por exemplo, após despejar apenas 10mL de água distante 5cm da sonda de
detecção, nada aconteceu e a leitura da umidade do solo permaneceu a mesma. Em seguida,
40
foram despejados 10mL de água em cima do sensor e imediatamente o sensor de umidade do
solo respondeu com uma leitura de 98% de umidade. Os valores ínfimos para irrigação acima
exemplificados foram úteis apenas para testar a velocidade de resposta, a precisão e a área de
leitura coberta pela sonda de detecção.
Com o solo totalmente seco, foram despejados 100mL de água distante 5cm da
sonda de detecção. Foram necessários por volta de 20 minutos até estabilizar a leitura da
umidade do solo.
A substituição do dispositivo de comunicação wireless foi fundamental para a
conclusão do trabalho. Com a tensão fixa em 3.3V, o dispositivo Bluetooth consumiu cerca de
50mA do subsistema gerenciador de energia, sobrecarregando tal subsistema e prejudicando o
funcionamento dos demais. Sem mencionar que nem o próprio dispositivo Bluetooth conseguiu
entrar em funcionamento. No entanto, sua forma de comunicação com o microcontrolador é
bem simples. Ao realizar a substituição, o consumo foi drasticamente reduzido, possibilitando
a operação normal do protótipo. O dispositivo substituto, NRF24L01+, consome cerca de
quatro vezes menos energia que o dispositivo Bluetooth.
Tal substituição também teve um impacto financeiro ao protótipo, visto que o
dispositivo NRF24L01+ custa um terço da média de preço do dispositivo Bluetooth. Contudo,
esta substituição trouxe mudanças arquiteturais, mudanças completas no firmware e na forma
de comunicação com protótipo. Foi necessário realizar estudos sobre redes de sensores para
efetuar as mudanças no firmware e na comunicação do protótipo.
O custo para construção do protótipo proposto neste trabalho, custou em média
aproximadamente R$70,00. Este custo se refere apenas ao transmissor dos dados de umidade.
Se o receptor dos dados, mencionado na seção 4.4 “Desenvolvimento da aplicação para
comunicação com o protótipo”, for incluído nos custos, serão adicionados mais R$21,00 ao
custo final, totalizando assim R$91,00, contabilizando somente os componentes indispensáveis.
Os custos com fabricação de placa de circuito e corpo não foram incluídos, pois apenas um
protótipo com a montagem do circuito foi desenvolvido.
Também foi possível validar a eficácia e cobertura de casos do processo de
desenvolvimento de sistemas embarcados. Todo o desenvolvimento do trabalho seguiu a ordem
de passos de tal processo, inclusive a necessidade de substituição do dispositivo wireless.
Todavia, como este processo é genérico, alguns passos que fugiram ao escopo do trabalho,
como “Desenvolver layout”, “Fabricar e montar placa de circuito”, “Fabricar caixa” não foram
executados.
41
6 TRABALHOS FUTUROS
Uma possível melhoria identificada seria substituir o painel fotovoltaico atual por
um mais potente, para assim poder adicionar mais super capacitores ao subsistema fonte de
energia, permitindo uma maior duração de atividade do protótipo quando houver interrupções
no fornecimento de energia do painel fotovoltaico. Mas isso implica em um custo maior para o
protótipo.
Neste trabalho não foi desenvolvido layout para placa de circuito e nem corpo para
tal placa. Poderia ser criado um produto real a partir do protótipo desenvolvido neste trabalho,
gerando assim oportunidades para desenvolvedores de layout de placa de circuito e design de
produtos poderem usar sua criatividade na fabricação deste produto.
A necessidade de uma interface de comunicação entre o receptor dos dados de
umidade e a aplicação requisitante por onde o usuário irá interagir é de suma importância para
o uso real do protótipo. O firmware desenvolvido para o receptor dos dados não provê tal
interface, apenas repassa os dados que são recebidos. Portanto, este é um ponto em que o
firmware pode ser melhorado para atender a este requisito.
Devido a necessidade de mudança do dispositivo de comunicação wireless, o
firmware precisou ser reescrito. Adotando o dispositivo wireless NRF24L01+, a rede deixou
de ser ponto-a-ponto e passou a ser mesh25, tornando possível que vários nós sejam conectados
numa rede auto gerenciável, para o sensoriamento de umidade do solo em um terreno amplo.
Por limitações de custo, este trabalho utilizou apenas dois nós, um para a transmissão e outro
para a recepção de dados. Apesar disso, o firmware escrito está preparado para receber mais
nós na rede.
Um possível trabalho futuro seria aplicar vários exemplares do protótipo proposto
neste trabalho para criar uma rede de sensores em um terreno. Estudos sobre o alcance de rede
wireless de cada nó, distância entre nós para a otimização da quantidade de nós em uma área e
comportamento da rede mesh poderiam ser feitos neste trabalho futuro.
25 http://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/malha/introducao.html
42
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho visou desenvolver um protótipo para monitorar a umidade do solo de
um terreno de cultivo, utilizando energia solar. O intuito foi torná-lo baixo custo e simples de
utilizar, podendo contribuir para a inclusão de cultivadores com poucos recursos financeiros no
âmbito da agricultura de precisão.
Partindo dos resultados, podemos considerar que sua construção é viável e acessível
para o público-alvo em questão, além de possuir flexibilidade na forma de funcionamento,
podendo abranger ainda mais o público-alvo, incluindo também cultivadores com um espaço
de cultivo mais amplo.
Podemos notar também o êxito do processo de desenvolvimento de sistemas
embarcados proposto e aplicado neste trabalho, um processo consistente que cobriu todas as
adversidades encontradas durante o desenvolvimento do trabalho. Como este processo é
genérico e foi validado neste trabalho, ele pode ser executado para o desenvolvimento de
sistemas embarcados em geral.
43
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Sistemas Embarcados. Instituto Federal do Espírito Santo. Disponível em:
<ftp://ftp.ifes.edu.br/cursos/EngenhariaEletrica/LuisEduardo/Sistemas%20Embarcados/SE%2
03%20-%20comunicacao.pdf>. Acesso em: 15 de julho. 2016.
SOMMERVILLE, Ian. Engenharia de software. São Paulo: Addison Wesley, 2003.
VASQUES, B. L. R. P. et al. ZigBee. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Disponível
em: < http://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/zigbee/index.html >. Acesso em: 15 de julho. 2016.
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APÊNDICE A – Firmware escrito para o protótipo (transmissor)
#include "RF24.h" // documentation: http://tmrh20.github.io/RF24/
#include "RF24Network.h" // documentation: http://tmrh20.github.io/RF24Network/
#include "RF24Mesh.h" // documentation: http://tmrh20.github.io/RF24Mesh/
#include <SPI.h>
#include <EEPROM.h>
#include <Sleep_n0m1.h> // documentation: https://github.com/n0m1/Sleep_n0m1
// Constants
#define nodeID 1 // Each node connected on network must have an different nodeID
#define packetToMaster 'M' // packet type
#define humiditySensorPin A0
struct packetStruct {
byte fromNodeID;
float soilHumidity;
};
byte quantityReadingSensor = 64; // number of consecutive readings
RF24 radio(7, 8);
RF24Network network(radio);
RF24Mesh mesh(radio, network);
Sleep sleep;
int sleepTime = 1000; // milliseconds
void setup() {
delay(60000); // delay 1 minute until the super capacitor reachs full charge
mesh.setNodeID(nodeID);
mesh.begin(MESH_DEFAULT_CHANNEL, RF24_250KBPS,
MESH_RENEWAL_TIMEOUT);
}
void loop() {
mesh.update(); // to keep the network updated
// Read the sensor value
unsigned long val = 0;
for (unsigned int counter = 0; counter < quantityReadingSensor; counter++) {
val += analogRead(humiditySensorPin);
}
val /= quantityReadingSensor;
// Creating a packet to send
packetStruct packet;
packet.fromNodeID = nodeID;
packet.soilHumidity = mapfloat(val, 0, 1023, 100, 0);
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if (!mesh.write(&packet, packetToMaster, sizeof(packet))) {
// If a write fails, check connectivity to the mesh network
if (!mesh.checkConnection()) {
mesh.renewAddress(); // refresh the network address
}
}
sleepFor(sleepTime); // sleep for 1 second and wake up
}
void sleepFor(int timeToSleep){ //sleep for: timeToSleep
delay(100);
sleep.standbyMode(); //set sleep mode
sleep.sleepDelay(timeToSleep - 200);
delay(100);
}
/* http://electronics.stackexchange.com/questions/83458/best-way-to-map-ints-to-float-in-
arduino
*/
float mapfloat(long x, long in_min, long in_max, long out_min, long out_max){
return (float)(x - in_min) * (out_max - out_min) / (float)(in_max - in_min) + out_min;
}
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APÊNDICE B – Firmware escrito para o dispositivo de comunicação com o protótipo
(receptor)
#include "RF24.h" // documentation: http://tmrh20.github.io/RF24/
#include "RF24Network.h" // documentation: http://tmrh20.github.io/RF24Network/
#include "RF24Mesh.h" // documentation: http://tmrh20.github.io/RF24Mesh/
#include <SPI.h>
#include <EEPROM.h>
// Constants
#define nodeID 0 // the master node must receive ID 0
#define packetToMaster 'M' // packet type
struct packetStruct {
byte fromNodeID;
float soilHumidity;
};
RF24 radio(7,8);
RF24Network network(radio);
RF24Mesh mesh(radio, network);
void setup() {
Serial.begin(115200);
mesh.setNodeID(nodeID);
Serial.print("This node ID: ");
Serial.println(mesh.getNodeID());
mesh.begin(MESH_DEFAULT_CHANNEL, RF24_250KBPS,
MESH_RENEWAL_TIMEOUT);
}
void loop() {
mesh.update(); // to keep the network updated
mesh.DHCP(); // to the master node assign adresses to the sensor nodes
if(network.available()){ // Check for incoming data from the sensors nodes
RF24NetworkHeader header;
network.peek(header);
if(header.type == packetToMaster){
packetStruct packet;
network.read(header, &packet, sizeof(packet));
Serial.print("Packet received from nodeID: ");
Serial.println(packet.fromNodeID);
Serial.print("Measure: ");
Serial.println(packet.soilHumidity);
}
}
}
