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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO

Eduardo Pedó Gutkoski

DOSADOR ELETRÔNICO DE FERTILIZANTES PARA MORANGOS

Passo Fundo

2018


DOSADOR ELETRÔNICO DE FERTILIZANTES PARA MORANGOS

Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, sob orientação do professor Ms. Amauri Fagundes Balotin.

Passo Fundo

2018


Dosador eletrônico de fertilizantes para morangos

Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista, sob orientação do professor Ms. Amauri Fagundes Balotin.

Aprovado em ____ de ______________ de______.

BANCA EXAMINADORA

_______________________________________________________________ Prof. Ms. Orientador Amauri Fagundes Balotin - UPF

_______________________________________________________________ Prof. Dr. Eduardo Appel - UPF

_______________________________________________________________ Prof. Dr. Paulo Sérgio Corrêa Molina - UPF

RESUMO

A Agricultura permite diversas inovações tecnológicas, entre elas o uso de recursos de

plataformas embarcadas e sensoriamento. Visando contribuir com produtores e auxiliar

pesquisadores com dados, esse trabalho apresenta um sistema de dosagem de fertilizantes para

morangos. O trabalho é focado no cultivo semi-hidropônico com tuneis altos, estufa e

utilizando fertirrigação com o método de gotejamento. Foram pesquisados tipos de

fertilizantes e dosagens de macronutrientes e micronutrientes, que são alteradas dependendo

do ciclo de vida do morangueiro, o sistema realiza a mistura de fertilizantes com água nas

dosagens adequadas para cada época. Para criar a solução, foi utilizado uma integração de

plataformas embarcadas, o Raspberry Pi 3 e outros dispositivos periféricos de hardware para

sensoriamento e controle do projeto, operacionais a partir de uma interface gráfica. Os dados

sensoriais e de dosagens estarão disponíveis em um banco de dados online para serem

consultados pelo usuário.

Palavras-Chave: Dosador fertilizantes, Sensores, Sistema embarcado, Morango.

ABSTRACT

Agriculture allows several technological innovations, among them the use of embedded

platform resources and sensing. Aiming to contribute to producers and assist researchers with

data, this work presents a dosage system of fertilizers for strawberries. The work is focused on

semi-hydroponic cultivation with high tunnels, greenhouse and using fertigation with the drip

method. Fertilizers types and dosages of macronutrients and micronutrients have been

researched, such as dosages are altered depending on the life cycle of the strawberry, the

system will then mix the fertilizers with water in the appropriate dosages for each season. To

create the solution, we use embedded platforms integration, Raspberry Pi 3 and other

peripheral hardware devices for project sensing and control, operating from a graphical

interface. The sensory and dosage data will be available in an online database to be consulted

by the user.

Keywords: Fertilizer dosage, Sensory, Embedded systems, Strawberry.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 2.1 Exemplo de cultivo semi hidroponico....................................................................16

Figura 2.2 Exemplo irrigação por gotejamento........................................................................16

Figura 2.3 ilustração exemplificando a conectividade entre dispositivos na internet das coisas

.......................................................................................................................................18

Figura 2.4 Exemplos de plataformas de desenvolvimento disponíveis no mercado, da

esquerda para direita: Raspberry pi 3, Beaglebone, Arduino uno, Fresscale kl25z..................19

Quadro 2.1 Características dos principais tipos de sensores de temperatura...........................20

Figura 2.5 ciclo de controle servo motor..................................................................................21

Figura 2.6 Pulsos de controle PWM........................................................................................ 22

Figura 2.7 Transferência de dados serial entre microcontroladores.........................................23

Figura 2. 8 Protocolo uart.........................................................................................................24

Figura 2.9 Exemplo de microcontrolador:ARM M3................................................................25

Figura 2. 10 Exemplo de aplicações onde o middleware é a ponte de conexão...................... 25

Figura 2. 11 Ciclo de eventos node.js.......................................................................................29

Figura 3.2 Diagrama geral do projeto...................................................................................... 30

Figura 3. 3 Dispositivos e ferramentas de desenvolvimento ....................................................31

Figura 3. 4 Diagrama de blocos do sistema..............................................................................33

Figura 3. 5 Recipiente dosador com serie resistiva..................................................................34

Figura 3.6 Diagrama de blocos do CI fdc1004........................................................................ 35

Figura 3.7 Sensor de nível capacitivo. Nota-se os três eletrodos RE, RL e de nível, também o

uso de uma blindagem atrás do sensor......................................................................................36

Figura 3.8 Gráfico esperado após calibração ............................................................................37

Figura 3.9 Na esquerda, layout da placa de circuito impresso desenvolvida e na direita,

protótipo contendo o pote de dosagem (impresso em impressora 3d), pci e fdc1004..............37

Figura 3.10 Fluxograma para dosagem com bomba peristáltica..............................................38

Figura 3.11 Exemplos de saída digital do sensor.....................................................................39

Figura 3.12 Comunicação entre o microcontrolador e o sensor...............................................40

Figura 3.13 Fluxograma de firmware.......................................................................................41

Figura 3. 14 Configurações inicias e envio de caractere para receber dados de sensores....... 42

Figura 3. 15 Fluxograma de dados recebidos na serial, e salvos no banco de dados.............. 43

Figura 3. 16 Requisições no socket.io......................................................................................44

Figura 3.17 Fluxograma da página de controle........................................................................ 45

Figura 3.18 Fluxograma da página de gráficos........................................................................ 46

Figura 3.19 Fluxograma da página de dosagens...................................................................... 47

Figura 3.20 Esquemático da pci projetada............................................................................... 48

Figura 3.21 Layout da pci projetada. ........................................................................................48

Figura 3.22 Esquemático do modulo relés de 2 canais para melhor visualização do circuito de

acionamento. ...........................................................................................................................49

Figura 3.23 Protótipo montado com legenda. ..........................................................................50

Figura 3.24 Fonte de alimentação utilizada no projeto.............................................................51

Figura 3.25 Caixa contendo o circuito de controle do projeto, com legenda...........................52

Figura 3.26 Sensores de nível dentro do tanque.......................................................................53

Figura 3.27 Irrigação por gotejamento na plantação.................................................................54

Figura 3 28 Servo motor acoplado ao pote do dosador.............................................................55

Figura 3.29 Diagrama de tubulação utilizado no projeto......................................................... 56

Figura 3.30 Hidrobomba para irrigar os morangos...................................................................56

Figura 3.31 Bombas peristálticas para dosagem de fertilizantes..............................................57

Figura 4.1 Dosagens foram medidas utilizando uma proveta de 50ml, com +-0.5ml de

precisão.....................................................................................................................................58

Quadro 4.1 Testes dosagem de macronutrientes.......................................................................59

Quadro 4.2 Testes dosagem de micronutrientes.......................................................................59

Quadro 4.1 Testes dosagem de macronutrientes.......................................................................59

Quadro 4.2 Testes dosagem de micronutrientes.......................................................................59

Figura 4.2 Interface gráfica do mongodb, compass, mostrando as coleções............................60

Figura 4.3Documentos de uma coleção no banco de dados. ....................................................60

Figura 4.4 Menu principal.........................................................................................................61

Figura 4.5 Pagina de controle ..................................................................................................61

Figura 4.6 Página de dosagens, com gráficos em barra............................................................62

Figura 4.7 Página de dados, com gráficos em linha..................................................................63

Figura 4.8 Gráfico de temperatura ds18b20 na interface html.................................................64

Figura 4.9 Gráfico de temperatura ambiente (dht22) na interface html....................................64

Figura 4.10 Gráfico de humidade ambiente (dht22) na interface html.....................................65

LISTA DE ABREVIATURAS

ADC – Conversor analógico digital.

API - Interface de Programação de Aplicativos

CPU – Unidade central de processamento.

DSL – Linha digital de assinante.

EEPROM – Memoria não volátil.

GPIO – Entradas e saídas de propósito geral.

HTTP- Protocolo de Transferência de Hipertexto

IDE – Ambiente de desenvolvimento integrado.

IEEE - Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos

IP – Endereço de protocolo de internet.

LAN – Rede local de internet.

pH – Potencial Hidrogeniônico.

PWM – Pulso modulado.

RAM – Memoria de acesso aleatório.

RTD – termo resistência.

SQL – Linguagem de consulta estruturada.

UART – Receptor transmissor universal assíncrono.

WAN – Rede numa área.

WI-FI – Fidelidade sem fio.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 13

1.1 OBJETIVO ......................................................................................................................... 14

1.2JUSTIFICATIVA ................................................................................................................ 14

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................................... 14

2 REVISÃO DA LITERATURA .......................................................................................... 15

2.1 CULTIVO DO MORANGUEIRO EM AMBIENTE PROTEGIDO................................. 15

2.1.1 Irrigação do morangueiro ............................................................................................. 15

2.1.2 Fertirrigação .................................................................................................................. 17

2.1.3 Adubação e nutrição ...................................................................................................... 17

2.2 SISTEMAS EMBARCADOS ............................................................................................ 17

2.2.1 Plataformas de desenvolvimento .................................................................................. 18

2.3 SENSORES DE TEMPERATURA ................................................................................... 19

2.4 SENSORES HIGRÔMETROS DE AMBIENTE .............................................................. 20

2.5 SERVO MOTOR ................................................................................................................ 21

2.6 COMUNICAÇÃO DE DADOS ....................................................................................... 22

2.6.1 Comunicação wi-fi ......................................................................................................... 22

2.6.2 Comunicação serial ....................................................................................................... 23

2.7 MICROCONTROLADORES ............................................................................................ 24

2.8 MIDDLEWARE ................................................................................................................. 25

2.9 BANCO DE DADOS ......................................................................................................... 26

2.9.1 MongoDB ........................................................................................................................ 26

2.9.2 MongoDB Compass ....................................................................................................... 27

2.11 SERVIDOR WEB ............................................................................................................ 27

2.11.1 Node.js .......................................................................................................................... 28

3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ........................................................................... 30

3.1 DISPOSITIVOS E FERRAMENTAS DE DESENVOLVIMENTO ................................. 31

3.2 DIFERENTES ABORDAGENS PARA REALIZAR A DOSAGEM. .............................. 33

3.2.1 Método de resistências em série ................................................................................... 33

3.2.2 Método capacitivo para estimar o nível de liquido. .................................................... 34

3.2.3 Método de contagem de tempo no firmware para realizar a dosagem..................... 38

3.3 SENSOR DE TEMPERATURA DS18B20 ....................................................................... 39

3.4 SENSOR HIGROMETRO DE AMBIENTE DHT22 ........................................................ 40

3.5 FIRMWARE DO MICROCONTROLADOR ................................................................... 40

3.6 SOFTWARE NODE.JS ...................................................................................................... 42

3.7 CÓDIGO PAGINAS HTML .............................................................................................. 44

3.8 PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI) ...................................................................... 47

3.8.1 Placa de relés .................................................................................................................. 49

3.9 PROTÓTIPO ...................................................................................................................... 49

3.9.1 Visão geral do protótipo ................................................................................................ 50

3.9.2 Fonte de Alimentação .................................................................................................... 51

3.9.3 Circuito de controle ....................................................................................................... 51

3.9.4 Sensores de nível ............................................................................................................ 52

3.9.5 Irrigação para os morangos .......................................................................................... 53

3.9.6 Acoplamento servo motor na estrutura ....................................................................... 54

3.9.7 Diagrama da tubulação ................................................................................................. 55

3.9.8 Motores ........................................................................................................................... 56

4. RESULTADOS ................................................................................................................... 58

4.1 TESTE PRATICO DE DOSAGENS ................................................................................. 58

4.2 TABELAS NO BANCO DE DADOS ............................................................................... 59

4.3 VISUALIZAÇÃO DAS PÁGINAS HTML ....................................................................... 61

4.4 DADOS SENSORIAIS ...................................................................................................... 63

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................. 66

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 67

13

1 INTRODUÇÃO

Segundo Antunes e Reisser Junior (2007), a produção de morangos no Brasil possui

grande importância social e nos últimos anos está incorporando novas tecnologias, sendo o

país o terceiro maior produtor de frutas no mundo. A cultura de morangueiro é uma cultura

com boa rentabilidade para o produtor. No Brasil, tal cultura tem melhorado a qualidade de

vida de produtores, um exemplo disso é a região do município de Feliz, no Rio Grande do

Sul. Nesta região, a cultura do morango estava decaindo e ações da Embrapa e Emater

conduziram os agricultores a uma nova forma de plantar morangos em estufas utilizando

substrato, sacos plásticos e mesas de plantação (CALVETE, 2000).

A produção de morangos é uma atividade agrícola que exige especialização pois

diversos fatores podem dar errado para o produtor, como por exemplo na qualidade das

mudas, fungos e pragas, água de má qualidade, clima, custo elevado de produção e valor

baixo do produto. Tais fatores influenciam diretamente na qualidade do fruto a ser vendido

para o consumidor.

Três fatores são fundamentais para o bom desenvolvimento da cultura do morango:

luminosidade, nutrição e ventilação. Através da luminosidade, a planta realiza a fotossíntese e

obtém maior parte da energia necessária ao seu desenvolvimento, enquanto que a outra parte

da energia é obtida através dos nutrientes absorvidos no solo. Para os frutos do morango

crescerem com qualidade, a planta deve receber todos os nutrientes denominados macro e

micronutrientes, necessários para seu desenvolvimento. A estufa deve ter uma boa ventilação

para diminuir a temperatura interna e também reduzir a possibilidade de ataques por ácaros ou

outros insetos (PAGNAN e MONEGAT, 2015).

Foram pesquisados tipos de fertilizantes e dosagens de micronutrientes e

macronutrientes. Essas dosagens são alteradas dependendo do momento de ciclo de vida do

morangueiro. Para facilitar a vida do produtor, reduzir custos e evitar erros, planejamos uma

forma de utilizar equipamentos eletrônicos para fazer a mistura de fertilizantes com a água

nas dosagens adequadas para cada época. Neste trabalho desenvolvemos um produto

eletrônico que realizará essa tarefa como uma opção tecnológica para o agricultor e também

para o pesquisador.

14

1.1 OBJETIVO

O principal objetivo desse trabalho pode ser definido pela construção de um hardware

de controle eletrônico para distribuir dosagem de fertilizantes líquidos em uma plantação de

morangos semi-hidropônicos em ambiente fechado (estufa). Também o desenvolvimento do

programa das plataformas de desenvolvimento utilizadas, uma interface gráfica para o

produtor ou pesquisador utilizar o dosador além de um banco de dados para armazenar

variáveis de controle do morangueiro e quantidades de água e fertilizantes adicionados,

disponibilizando esses dados online através da rede local.

1.2 JUSTIFICATIVA

Criar uma ferramenta para auxiliar o produtor ou pesquisador de morangos salvando os

dados de quantidade de fertilizante e água que foram utilizados na plantação. Também

automatizar o processo de enchimento de água no tanque, encaminhamento da solução

nutritiva para os morangos e de dosagem de fertilizantes, evitando erros e facilitando a vida

do produtor.

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho é composto pelos seguintes capítulos:

Capítulo 2: Apresenta a revisão de literatura relacionada aos assuntos do trabalho,

como o cultivo do morangueiro em ambiente protegido, tipo de irrigação, adubação, sistemas

embarcados e sensores.

Capítulo 3: Esse capitulo se baseia no desenvolvimento do projeto em si, mostrando

firmware dos programas e o protótipo.

Capítulo 4: Esse capítulo é reservado para a aplicação de testes práticos com

diferentes parâmetros e obtenção de resultados.

Capitulo 5: Esse capitulo é reservado para as considerações finais sobre o trabalho

desenvolvido.

15

2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 CULTIVO DO MORANGUEIRO EM AMBIENTE PROTEGIDO

O uso de estufas plásticas na produção agrícola é muito recente no Brasil (FARIAS,

1993). A tecnologia de produção utilizando estufas é amplamente consolidada em países

como Espanha, Itália, Holanda, França, Japão e Estados Unidos (CALVETE, 2000). A

utilização de ambientes protegidos na cultura do morangueiro tem o objetivo de proteger a

cultura das baixas temperaturas por ocasião da floração e frutificação e das chuvas durante o

período da colheita. Isso diminui a incidência de doenças foliares e podridões nos frutos

(MARTÍN, 1989).

O cultivo do morangueiro evoluiu com a introdução de novas técnicas e cultivares mais

adaptadas às condições brasileiras (CASTELLANE, 1993). Essas técnicas dizem respeito ao

uso de filmes de cobertura do solo (mulching), de túneis de cultivo forçado e de irrigação por

gotejamento (GOTO e DUARTE FILHO, 1999). Atualmente, evoluíram para fertirrigação,

troca de túneis baixos pelos tuneis altos, estufas e cultivo semi-hidropônico em substratos

verticais ou horizontais em solução nutritiva (CALVETE, 2000). As tecnologias hoje

utilizadas visam aumentar a produtividade e a lucratividade do morangueiro (REISSER

JÚNIOR, ANTUNES e RADIN, 2004).

Dentre os principais diferenciais da técnica de semi-hidroponia estão a redução de 70%

no uso de agrotóxicos, diminuição da necessidade de área por quantidade de mudas plantadas,

diminuição da necessidade de mão de obra e aumento do período produtivo. Segundo técnicos

da Emater e gestores públicos envolvidos, no Vale do Caí em 2013 a produção em sistema

semi-hidropônico conforme mostrado na Figura 2.1 foi de aproximadamente 70% do total

produzido na região (SPECHT, 2014).

2.1.1 Irrigação do morangueiro

O método mais eficiente para fornecer água ao morangueiro é o sistema de irrigação por

gotejamento mostrado na Figura 2.2, pois possui maior eficiência em razão da grande

economia de água. Consiste em tubulações equipadas com gotejadores para cada planta, com

uma bomba puxando água fornecendo-a gota a gota até a base da planta (KLEIN, 2005).

16

Figura 2.1 Exemplo de cultivo semi hidroponico.

Fonte: Campo e Negócios, (2015)

Figura 2.2 Exemplo irrigação por gotejamento

Fonte: Agropecuária, (2016)

17

2.1.2 Fertirrigação

A fertirrigação caracteriza-se pela adubação do plantio a partir de fertilizantes solúveis

dissolvidos na água de irrigação, no cultivo semi-hidropônico a totalidade das adubações

podem ser feitas via fertirrigação, sem necessidade de adubação convencional. A sua

aplicação visa prover os nutrientes certos nas quantidades corretas, o mais próximo possível

ao estado fisiológico em que o nutriente é necessário (GUEDES, 2015).

2.1.3 Adubação e nutrição

A adubação do morangueiro é a principal pratica responsável pelo aumento da

produtividade, qualidade e conservação pós-colheita. Segundo Filgueira (2003), aplicações de

nitrogênio e de fósforo elevam, significativamente, a produtividade do morangueiro, inclusive

em solos considerados férteis, já o potássio é o macronutriente que mais favorece o

aprimoramento na qualidade do morango.

Existe a necessidade de uma adubação mais equilibrada e sustentável ao longo do

tempo, evitando assim o processo de salinização do solo, comum em plantios intensivos de

grãos e hortaliças (MIRANDA, 2008).

O nível de pH do solo mais adequado para a cultura do morangueiro é aquele de varia

de alto a médio (pH em água, de 5.0 a 6.0; pH em CaCl2, de 4,4 a 5,4). Se o pH do solo

estiver elevado, o desenvolvimento da planta será prejudicado (CHAVES, 2007).

2.2 SISTEMAS EMBARCADOS

Sistemas de computadores embarcados são sistemas eletrônicos que incluem um

microcomputador que realiza uma aplicação especifica. Todo dia milhares de chips são

desenvolvidos e fabricados por empresas como Frescale, Atmel, Maxim, Texas Instruments,

STMicroelectronics, Renesas, Microchip, Silicon Labs e Mitsubishi sendo utilizadas em

diversas aplicações que incluem produção de alimentos, sistemas de transporte, defesa militar,

sistemas de comunicação e qualidade de vida (VALVANO, 2011).

Segundo Norris (2015), o termo internet of things foi utilizado pela primeira vez em

1999 por Kevin Ashton. Representa o conceito de computadores e máquinas com sensores,

que conectados à internet oferecem relatórios e aceitam comandos de entrada. É uma

18

tecnologia revolucionária que representa o futuro da computação aplicada e das

comunicações. Neste cenário, as previsões indicam que mais de 40 bilhões de dispositivos

estarão conectados até 2020 (FORBES, 2014). Dentre as principais aplicações estão as

cidades inteligentes (Smart cities), saúde (Healthcare) e em agricultura de precisão

(VISWANATHA e MEKALA , 2017).

Na agricultura de precisão, o monitoramento de sensores em rede é bastante usado para

medir informações como temperatura, humidade, pH do solo, fatores de nutrição do solo,

humidade do solo etc. Com essas informações disponíveis, produtores podem monitorar suas

plantações através de computadores ou celulares (VISWANATHA e MEKALA , 2017). Na

figura 2.3, apresenta-se uma demonstração de uma aplicação da internet das coisas, onde

diversos dispositivos estão conectados na rede.

Figura 2.3 Ilustração exemplificando a conectividade entre dispositivos na internet das coisas

Fonte: Seguro Total, (2017)

2.2.1 Plataformas de desenvolvimento

Podem ser caracterizadas por dispositivos que possuem um microcontrolador

programável através de uma IDE (Ambiente de desenvolvimento integrado) ou sistema

operacional. São projetados em placas de circuito impresso com diversos periféricos de

hardware que podem ser configurados ou utilizados dependendo do objetivo do projeto.

Quando o projetista escolhe uma plataforma de desenvolvimento, existem diversos

fatores a ser considerados para selecionar o dispositivo. Dentre os fatores estão número de

19

entrada e saídas digitais e analógicas da GPIO (general purpose input/output) da placa;

número de bits processados; se possui ADC para converter entradas analógicas em digitais;

capacidade de conexão com modulares; baixo consumo de energia; modulador de pulso de

saída para aplicações de controle; capacidade da memória EEPROM e RAM e formas de

conectividade para comunicação (VALVANO, 2011). Na figura 2.4 mostra-se exemplos de

plataformas de desenvolvimento comerciais para internet das coisas.

Figura 2.4 Exemplos de plataformas de desenvolvimento disponíveis no mercado, da esquerda para direita:

Raspberry pi 3, BeagleBone, Arduino Uno, Fresscale Kl25z.

Fonte: Autor próprio (2018).

Dentre os exemplos, pode-se citar o Raspberry Pi como um dos projetos mais bem-

sucedidos entre as plataformas de desenvolvimento. Foi inicialmente desenvolvido para

educação, seu criador Eben Upton tinha o propósito de criar um dispositivo de baixo custo

que iria melhorar as habilidades de programação e entendimento de hardware em um nível

pré-universitário. Foi rapidamente adotada por inventores e entusiastas de eletrônica para

projetos que requerem mais do que um microcontrolador básico. Como um computador, roda

no sistema operacional Raspian, uma distribuição do Linux desenvolvida para processadores

ARM (OPEN SOURCE, s.d.).

2.3 SENSORES DE TEMPERATURA

A temperatura de um corpo corresponde ao grau de agitação das moléculas e também

está associada à transferência de energia térmica na forma de calor entre sistemas. A maioria

dos parâmetros físicos são dependentes da temperatura, tornando-se necessário medir a

temperatura juntamente com os outros parâmetros envolvidos.

Existem quatro tipos de sensores de temperatura para compra no mercado, os RTDs

(Resistance temperature detector), os termistores, os sensores com circuito integrado e os

termopares. Suas características variam de acordo com o modo de medição, escala de

20

temperatura (Celcius, Fahrenheit ou Kelvin), precisão ou ainda a forma de resposta do sensor.

A escolha ideal baseia-se em encontrar os requisitos mais adequados para cada projeto. O

Quadro 2.1 apresenta as características dos tipos de sensores de temperatura.

Quadro 2. 1 Características dos principais tipos de sensores de temperatura.

Fonte: Demar USP, (2010).

2.4 SENSORES HIGRÔMETROS DE AMBIENTE

São módulos digitais que possuem integrado um sensor de temperatura e de umidade

relativa do ar. O sensor inclui um sensor capacitivo para medir umidade e medidor de

temperatura de alta precisão conectados a um microcontrolador de 8 bits. Os coeficientes de

calibração são armazenados no microcontrolador, possui uma interface de barramento padrão

para uma fácil e rápida integração com o sistema. Apresenta um tamanho compacto, baixo

consumo de energia e transmite dados a uma distância de até 20 metros (AOSONG CO., s.d.).

21

É utilizado para aplicações de testes e inspeções de equipamentos, produtos

consumíveis, controle automático, aplicações para casa, regulador de umidade, estações

meteorológicas e assim por diante. A Figura 2.5 mostra o encapsulamento do sensor e as suas

medidas (AOSONG CO., s.d.).

Os módulos mais comumente disponíveis são: fabricante Aosong modelos (DHT22,

AM2302, AM2302, AM2320 e AM2321); Sensirion (SHT71); Measurement Specialties

(HTU21D); Silicon Labs (Si7021) e Bosch Sensortec (BME280).

2.5 SERVO MOTOR

Existem diversos tipos de servo motores e sua principal funcionalidade é a habilidade

de controlar precisamente a posição do seu eixo. O servo motor é um sistema de ciclo fechado

(Figura 2.5) que utiliza uma informação de posição para controlar seu movimento e posição

final (DEJAN, 2018).

Figura 2. 5 Ciclo de controle servo motor

Fonte: (DEJAN, 2018)

Nos servos motores industriais, o sensor de posição é geralmente um encoder de alta

precisão, enquanto que nos servos motores de corrente continua, o sensor de posição é

geralmente um simples potenciômetro. Os servos motores de CC são utilizados para controlar

carros de controle remoto, aviões, etc. Também para projetos de prototipagem robótica na

criação de braços robóticos, por exemplo (DEJAN, 2018).

O controle é realizado enviando uma serie de pulsos PWM (Figura 2.6) pela linha de

sinal. A frequência do sinal de controle tem de ser 50 hertz. O tamanho do pulso determina a

posição angular do servo, sendo o limite de rotação 180 graus (DEJAN, 2018).

22

Figura 2. 6 Pulsos de controle PWM

Fonte: (DEJAN, 2018)

Geralmente, pulsos com 1 milissegundo de duração correspondem a posição de 0

graus no servo, 1.5ms para 90 graus e 2ms para 180 graus. Dependendo do servo motor

utilizado e sua placa de controle, esses tempos podem variar (DEJAN, 2018).

2.6 COMUNICAÇÃO DE DADOS

2.6.1 Comunicação wi-fi

Wi-fi é a sigla para wireless fidelity e foi criada inicialmente para fins militares a fim de

estabelecer uma conexão entre bases. A rede wi-fi opera no padrão de rádio frequência

802.11, a qual foi estabelecida pelo IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos)

primeiramente em 1997. Com o passar dos anos mais extensões foram adicionadas,

começando pela 802.11a e 802.11b as quais introduziram as frequências utilizadas, que foram

2.4Ghz a uma taxa de 10Mbit/s e 5Ghz a uma taxa de 50Mbit/s. Atualmente a mais usada é a

802.11ac, introduzida em 2013 que pode transmitir dados a uma taxa maior que 1000Mbit/s

(LEMSTRA, HAYES e GROENEWEGEN, 2010).

O dispositivo responsável por transmitir o sinal de internet na rede cabeada DSL através

de uma conexão WAN para sem fio é denominado roteador, traduzindo os dados na forma de

sinal de rádio e transmitindo via antena. Direciona os dados da rede para os dispositivos

23

conectados na LAN (local area network) atribuindo endereços IP (internet protocol)

individualmente (LEMSTRA, HAYES e GROENEWEGEN, 2010).

2.6.2 Comunicação serial

É o processo de mandar/receber dados um bit de cada vez a uma velocidade de

baudrate (bits/s). É um tipo de comunicação simples que envolve somente dois cabos

conectores, um TX (transmissor) e um RX (receptor). No microcontrolador, o dado é

mandado na forma de comunicação paralela, um buffer converte esse dado em serial (PISO,

Parallel In Serial Out) mandando na ordem de bit mais significativo para menos significativo.

Quando o dado é recebido no buffer de outro microcontrolador, o mesmo é convertido para

dado paralelo (SIPO, Serial In Parallel Out) para processamento conforme Figura 2.7

(TAMBI e PRASAD, 2013).

Figura 2.7 Transferência de dados serial entre microcontroladores.

Fonte: Mayank Prasad, (2012).

2.6.2.1 Protocolo UART

O protocolo de comunicação UART, em português significa Transmissor/Receptor

Universal Assíncrono. A UART é um protocolo de comunicação full-duplex, ou seja, a

comunicação é realizada ao mesmo tempo de um dispositivo para o outro, pois os dados

trafegam por meios diferentes. Nota-se que para os bits serem transmitidos, o valor em

baudrate dado em bits por segundo deve ser igual para os dois dispositivos (REZENDE,

2017).

24

No protocolo UART, quando não há dados no barramento, ele fica em estado idle em

nivél logico alto, quando um dispositivo manda algum dado, primeiro é enviado o bit de

START o qual é sempre nível lógico baixo, depois 8 bits de informação são enviados e um bit

de STOP sinaliza o final do pacote de dados, o qual é um bit de nível lógico alto. Na Figura

2.8 é possível visualizar o protocolo (REZENDE, 2017).

Figura 2. 8 Protocolo UART

Fonte: Rezende, (2017)

2.7 MICROCONTROLADORES

É um dispositivo semicondutor construído em um circuito integrado que possui outros

componentes eletrônicos integrados como a CPU (Central Processing Unit, unidade de

processamento central), memória RAM (Random Acess Memory) e memória EEPROM ou

flash (Programmable read-only memory). Possui temporizadores que dependem do clock

interno para programar tempos e realizar ações, conversores de sinais analógicos para digital e

PWM (Pulse Width Modulation) utilizado para gerar sinais modulados. Integra registradores

de controle para periféricos com padrões de comunicação como SPI, I2C e ethernet, por

exemplo. Na Figura 2.9 mostra-se um exemplo de microcontrolador.

25

Figura 2.9 Exemplo de microcontrolador: ARM M3

Fonte: Ryndack componentes (2018).

2.8 MIDDLEWARE

Middleware é um software de computador que conecta outros componentes de

softwares ou aplicações, se encontrando entre o sistema operacional e os aplicativos nele

executados. Permite a comunicação e gerenciamento de dados para aplicativos distribuídos,

sendo um mediador para dar suporte a aplicações complexas. Entre as suas aplicações, estão

por exemplo web servers, banco de dados, mensagens e monitor de processamento de

transações como mostrado na Figura 2.10 (DEFINING TECHNOLOGY, 2008).

Figura 2. 10 Exemplo de aplicações onde o middleware é a ponte de conexão.

Fonte: Junior (2016)

26

2.9 BANCO DE DADOS

Um banco de dados é em essência uma coleção de informações que existem por um

longo período de tempo, auxiliando na manipulação e no armazenamento de dados diversos.

Os sistemas de gerenciamento de banco de dados (DBMS – database management system)

são uma coleção de programas que habilitam seus usuários a acessar, manipular e expor de

diferentes maneiras os dados, também auxiliando no controle de acesso. Os DBMS foram

primeiramente implementados em 1960 por Charles Bachmen com o IDS (Integrated data

store). Com a evolução da tecnologia, os bancos de dados são muito utilizados atualmente,

fruto do crescente desenvolvimento da computação em nuvem (ORACLE, 2018).

Existem duas categorias de bancos de dados existentes, os modelos relacionais e os não-

relacionais. Os bancos de dados relacionais são fundamentados na teoria dos conjuntos,

armazenam dados em estruturas chamadas tabelas as quais são compostas por colunas e

linhas, são utilizados para dados tabulares, de fácil inserção e recuperação. Dominam a maior

parte do uso dos bancos de dados. A sua linguagem de programação é a SQL que é a sigla

para Structured Query Language sendo seus principais representantes Oracle, SQL Server,

MySQL e PostgreSQL (IMPACTA, 2015).

Quando os bancos relacionais não podem ser utilizados, pois os dados são mistos como

por exemplo imagens e mapas, é necessário o uso dos bancos de dados não relacionais. São

conhecidos como NoSQL (Not Only SQL). São utilizados por empresas que possuem um

grande volume e variados tipos de dados, como por exemplo Google, Facebook e Amazon.

Outros exemplos de bancos NoSQL são o MongoDB, Redis e Cassandra (IMPACTA, 2015).

2.9.1 MongoDB

MongoDB é um software de banco de dados NoSQL baseado em documentos, com alta

escalabilidade e flexibilidade. Armazena as informações em documentos JSON (Javascript

object notation) o qual é um formato muito conhecido e fácil de organizar os dados. O banco

orientado a documentos lida com documentos e não com registros como no modelo

relacional, onde tudo é representado usando uma abordagem bidimensional (linhas e colunas)

(MONGODB, 2018).

Possui como características ser de código-fonte aberto, possuir alta performance, ser

escrito em C++, multiplataforma e ser formado por um conjunto de aplicativos JSON. Foi

concluído em 2009. Possui suporte a diversas linguagens de programação, como por exemplo

27

C, C#, C++, Haskell, Java, Javascript, Perl, PHP, Python e Scala. Alem disso, possui suporte

para os sistemas operacionais Windows, Mac, OS X, Linux e Solaris (MONGODB, 2018).

2.9.2 MongoDB Compass

O MongoDB Compass é uma interface gráfica para visualizar os dados do banco de

dados MongoDB, observando dados também como o dia em que foi inserido o dado e

frequência, por exemplo. Nele além da visualização e exploração dos dados é possível deletar,

modificar e inserir tabelas, otimizando o tempo do desenvolvedor.

2.10 INTERFACE GRÁFICA DE USUÁRIO (GUI)

A interface gráfica de usuário (GUI do inglês, graphical user interface) é um tipo de

interface de usuário que permite interagir com dispositivos eletrônicos através de ícones

gráficos e indicadores visuais, que podem ser manipulados com o mouse e o teclado. Entre as

vantagens em se utilizar uma GUI estão: maior facilidade e intuição em operações no

computador e maior capacidade em operar em múltiplas aplicações, aumentando a

produtividade do usuário (multi-tasking). Atualmente o uso da interface gráfica pode ser

considerado como um padrão em interação homem-máquina (THE LINUX INFORMATION

PROJECT, 2004).

2.11 SERVIDOR WEB

Os sistemas utilizados para desenvolver servidores web com as plataformas .NET,

Java, PHP, Ruby ou Python possuem uma característica em comum: paralisam um

processamento enquanto utilizam uma I/O (Entrada/Saída) no servidor. Essa paralização é

conhecida como Blocking-Thread (modelo bloqueante) (RIBEIRO PEREIRA, 2014).

É uma arquitetura clássica existente em diversos sistemas, a qual possui um design

ineficiente, gastando grande parte do tempo mantendo uma fila ociosa enquanto é executado

um I/O. Exemplos de tarefas são enviar um e-mail, consultar o banco de dados e leitura em

disco (RIBEIRO PEREIRA, 2014);

Com o crescimento do sistema, o problema de gargalos é agravante, necessitando fazer

um melhoramento no hardware dos servidores, o que gera grandes custos. O cenário ideal é

28

buscar novas tecnologias que utilizem todo os recursos de hardware não mantendo ocioso o

processamento enquanto realiza tarefas do tipo bloqueante (RIBEIRO PEREIRA, 2014).

2.11.1 Node.js

Com base no problema de tarefas bloqueantes, no final de 2009 Ryan Dahl criou o

Node.js com ajuda de 14 colaboradores. Possui um modelo inovador: sua arquitetura é

totalmente non-blocking thread (não bloqueante). É indicado para aplicações que realizam

muitas tarefas de entrada e saída de dados, pois possui uma boa performance com relação ao

custo de memória, utilizando de forma eficiente o hardware dos servidores (ABREU, 2016).

É uma plataforma de desenvolvimento de aplicações server-side baseadas em rede

utilizando Javascript e o V8 JavaScript engine do navegador Google Chrome, com essa

plataforma é possível criar aplicações web utilizando código JavaScript. As bibliotecas da

plataforma são denominadas Node.js package manager (gerenciador de pacotes do Node.js),

ou simplesmente npm e é um dos maiores sistemas de bibliotecas open source no mundo

(ABREU, 2016).

Internamente, a arquitetura do Node.js recorre ao ciclo de eventos (event loop) para

permitir a fácil criação de aplicações seguras e escaláveis. No caso desta plataforma, os

desenvolvedores optaram por uma arquitetura que reduz a complexidade inerente à criação de

aplicações sem que isso implique em uma penalização de sua performance. O uso do ciclo de

eventos é suportado por um conjunto de bibliotecas que permitem a realização de I/O de

forma assíncrona, ou seja, o acesso a um ficheiro ou execução de uma consulta sobre uma

base de dados não resulta em um evento bloqueante (ABREU, 2016).

A Figura 11 apresenta o funcionamento do ciclo de eventos, basicamente é um

loop infinito que verifica se existem novos eventos em sua fila. Tais eventos somente

aparecem quando são emitidos durante suas interações na aplicação. Na prática, podemos ver

o ciclo de eventos como sendo uma fila do tipo FIFO (First in, first out), em que cada

elemento contém uma sequência de instruções que devem ser executadas.

29

Figura 2. 11 Ciclo de eventos Node.js

Fonte: (ABREU, 2016).

Vale salientar que todo código escrito para Node.js é executado numa única tarefa,

dado o nome single thread na figura acima. É necessário ter cuidado no código colocado no

interior das funções que tratam os eventos, se possuir cálculos intensivos que necessitem de

vários ciclos de CPU para realizar uma operação, o servidor ficará incapaz de tratar mais

pedidos durante esse período.

30

3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

Neste capítulo será demonstrado o processo de criação e desenvolvimento de um

dispositivo que realiza a dosagem de fertilizantes para morangos semi-hidroponicos em uma

estufa. Essa seção também irá cobrir os recursos utilizados para a criação da plataforma

proposta, como softwares de desenvolvimento e componentes de hardware e periféricos.

Considera-se inicialmente que a estufa deve conter uma rede Ethernet ou Wireless

implementada além de uma alimentação de 110 ou 220 Volts nas proximidades. O projeto

utilizará duas plataformas de desenvolvimento, a Raspberry Pi 3 e TM4C123GXL. A primeira

será o sistema que hospedará o servidor web, a interface gráfica do usuário e armazenará os

valores dos sensores no banco de dados. Já a segunda plataforma realizará medições com

sensores além do controle do dosador e monitoramento dos motores (Figura 3.1).

Figura 3.1 Diagrama geral do projeto.


As duas plataformas estarão conectadas através de comunicação serial UART full

duplex, ou seja, ambas irão enviar informações. O microcontrolador enviará informações dos

sensores na plantação para serem armazenados no banco de dados. Já o Raspberry enviará

31

comandos para executar as funções do dosador de fertilizantes, controlando os motores e

realizando a dosagem correta.

3.1 DISPOSITIVOS E FERRAMENTAS DE DESENVOLVIMENTO

A Figura 3.2 demonstra uma visão geral dos principais componentes utilizados,

referenciado pela nomenclatura sobre o item. Para embarcar a solução proposta, optou-se pela

plataforma Raspberry Pi 3 item (A) devido aos componentes de hardware que a compõe,

como Wireless integrado e sistema operacional Raspian Jessie GNU/Linux. Sobre esse foram

instalados o Node.js (C) para criação do servidor web e MongoDB (D) para o banco de dados.

O item (B) comtempla a fonte de alimentação para o sistema, que deve ser de cinco volts e de

no mínimo três amperes. O acesso remoto ao Raspberry é feito via RealVNC (T), o qual pode

ser acessado por qualquer computador. A visualização dos dados e controle remoto do projeto

será via página HTML (E), somente acessado via rede local.

Figura 3. 2 Dispositivos e ferramentas de desenvolvimento

Fonte: Autor Próprio (2018).

32

Com relação aos sensores utilizados no projeto, para medidas de temperatura foi

utilizado o DS18B20 (G). Para obter temperatura e umidade relativa do ar, utilizou-se o

sensor DHT22 (F) da fabricante Aosong, que contém integrado um sensor de umidade e

temperatura encapsulado.

O microcontrolador adotado é o TM4C123GXL (I) da Texas Instruments

desenvolvido na arquitetura ARM em 32 bits de instrução. Dentro das características, foram

utilizados comunicação UART TX/RX para comunicar-se com o Raspberry, interrupções nas

portas de entrada e portas de saída para controle de periféricos, como relés (J) para

acionamento de bombas para irrigação e válvulas solenoides. A placa de circuito impresso foi

desenvolvida utilizando o software Proteus versão 8.6 (K) e o firmware foi escrito no

ambiente de desenvolvimento Energia (L).

Os motores e válvulas solenoides utilizados no projeto possuem alimentação de doze

volts. A bomba peristáltica (N) possui uma potência de 7,5 watts e vazão de 100ml por

minuto e é utilizada para dosar o fertilizante liquido. A bomba com diafragma (M) possui uma

potência de 60 watts com vazão de 4 litros por minuto, será usada para bombear a solução

nutritiva para os morangos. A válvula solenoide (P) é normalmente fechada e abre quando

energizada, será utilizada para entrada de água no tanque e também para saída da solução

nutritiva para os morangos. Também foram adicionadas chaves de liga/desliga (O) para

acionamento dos periféricos de 12 volts de forma manual.

As entradas e saídas das tubulações estão conectadas com a válvula de engate rápido

(R), facilitando a remoção e encaixe. O tanque utilizado para armazenar a solução nutritiva é

de 20 litros (Q), com dois sensores de nível de liquido do tipo boia com reed switch (H) e uma

válvula de boia (S) que fecha manualmente a entrada de água quando enche o tanque,

evitando o vazamento caso o sistema falhe. O recipiente dosador (V) é uma seringa de 50

mililitros, a qual está acoplada em um servo motor (U), possui duas tubulações de entrada,

vindas dos recipientes de fertilizantes macronutrientes e micronutrientes e uma de saída para

despejar o fertilizante no tanque de água.

Um diagrama de blocos do sistema está exemplificado na figura 3.3, mostrando como

os periféricos estão interligados no sistema. O microcontrolador terá um encaixe para

conectar-se com a PCI e estará conectado com o Raspberry via cabo USB. Os periféricos de

doze volts terão uma chave de liga e desliga para energiza-los sem o microcontrolador. O

servo motor e os sensores terão uma conexão com PCI. O modulo de relés está conectado na

PCI para controle de acionamento dos periféricos de doze volts conectados nos relés.

33

Figura 3. 3 Diagrama de blocos do sistema.


3.2 DIFERENTES ABORDAGENS PARA REALIZAR A DOSAGEM.

Para realizar o controle de dosagem do projeto com o microcontrolador, testamos três

diferentes alternativas, as quais estão descritas nos itens a seguir.

3.2.1 Método de resistências em série

Nesse método a quantidade de liquido dentro do recipiente dosador foi medida através

de uma série resistiva, onde a cada 10ml há um resistor, como o liquido fertilizante é um bom

condutor elétrico é possível medir a diferença de potencial dos pontos e traduzir essa

informação com um ADC para o microcontrolador processá-la. Assim, quando é detectado o

valor digital correspondente ao valor de mililitros desejado, o sistema para de injetar

fertilizantes no recipiente dosador (Figura 3.3).

O valor digital da leitura do ADC conforme Figura 3.4 dependerá do valor dos

resistores segundo a equação (1), os quais foram determinados em testes práticos. Sendo n o

número de bits do conversor analógico digital utilizado, Vadc a tensão medida no dosador e

Vcc a tensão de alimentação que será 5 volts.

34

(1)

Figura 3. 4 Recipiente dosador com serie resistiva.


Embora o método resistivo tenha funcionado, não será utilizado. Com o passar do tempo,

os eletrodos que levam aos resistores iriam oxidar e assim alterar sua resistência e também a

deteriorar o liquido fertilizante.

3.2.2 Método capacitivo para estimar o nível de liquido.

O segundo método testado foi a dosagem medida com um sensor capacitivo no pote do

dosador, utilizando a topologia de placas paralelas, na qual um dos eletrodos é conectado com

um sinal de excitação e o segundo é conectado ao terra (GND). O sensor não faz contato com

o liquido, sendo possível utilizá-la para estimar o nível de liquido no recipiente remotamente.

O sensor funciona no princípio de medir o efeito de borda entre o eletrodo do sensor de nível

35

e a placa aterrada. A maior limitação nesse tipo de sensoriamento é a presença de

interferências externas de outros dispositivos eletrônicos, produzindo erros no resultado.

A medição é realizada com o circuito integrado FDC1004 (Figura 3.5). É um circuito

do tipo conversor de capacitância para valor digital com quatro sinais de entrada (CIN 1-4)

que podem ser configurados para medir até quatro capacitâncias em diversas aplicações. Cada

canal de entrada pode ser selecionado para utilizar o canal CHA ou CHB utilizando um

multiplexador para ser ligado em fase com SHLD1 ou SHLD2. Esses dois pinos de blindagem

são conectados entre si no single-ended measurement mode, o qual lê-se a capacitância

relativa ao terra, também nesse modo, CHB é desativado e seleções no CAPDAC podem ser

utilizadas para gerar offsets de capacitância em todos canais.

Figura 3.5 Diagrama de blocos do CI FDC1004.

Fonte: Figura adaptada de (Texas Instruments, 2014).

É importante desenvolver o esquemático do sensor de nível minimizando as distancias

de conexão com as entradas do circuito integrado. Assim é aconselhável pelo fabricante

desenvolver o sensor numa placa de circuito impresso junto com o fdc1004. O recomendado

pelo fabricante é utilizar três eletrodos (Figura 3.6) sendo o primeiro de referência de liquido

(RL), o qual leva em conta as medidas dielétricas de diferentes líquidos, o segundo é o

referencial do meio ambiente (RE) que é posicionado acima do nível de liquido máximo e faz

medidas do meio ambiente e por fim o de nível de liquido, nota-se que o tamanho de RE e RL

36

precisam ser o mesmo. Na parte posterior da placa, é importante fazer uma blindagem

envolvendo os eletrodos para reduzir efeitos de interferência externa. O gráfico esperado após

calibração é mostrado na figura 3.7.

Figura 3.6 Sensor de nível capacitivo. Nota-se os três eletrodos RE, RL e de nível, também o uso de uma

blindagem atrás do sensor.

Fonte: Figura adaptada de (Texas Instruments, 2014)

Para calcular o nível de liquido é possível utilizar a equação 2, descrita no datasheet do

fabricante (Texas Instruments, 2014).

(2)

Onde:

hRL = unidade de altura de referência do sensor de liquido (geralmente 1)

Cnivel = capacitância do sensor de nível.

Cnivel (0) = capacitância do sensor de nível quando não há liquido presente.

CRL = capacitância do sensor de referência de liquido.

CRE = capacitância de referência do sensor do meio ambiente.

37

Figura 3.7 Gráfico esperado após calibração

Fonte: Figura adaptada de (Texas Instruments, 2014)

A placa de circuito impresso desenvolvida para comprovar a teoria acima está na figura

3.8. Possui três eletrodos, o de referencial de ambiente, de liquido e de nível. A placa

funcionou como esperado, porém, não foi possível utilizar esse método. O circuito integrado

FDC1004 parava de responder quando uma bomba era energizada devido a emissões

eletromagnéticas (EMI). Pesquisando mais sobre o assunto, esse problema é muito recorrente

nesse tipo de aplicação e é necessário uma blindagem mais elaborada e melhora no firmware

para o correto funcionamento.

Figura 3.8 Na esquerda, layout da placa de circuito impresso desenvolvida e na direita, protótipo contendo o pote

de dosagem (impresso em impressora 3D), PCI e FDC1004.

Fonte: Autor Proprio (2018).

38

3.2.3 Método de contagem de tempo no firmware para realizar a dosagem.

Por fim, o método empregado no projeto para a dosagem foi a contagem de tempo no

firmware do microcontrolador para determinar a quantidade de liquido no recipiente de

dosagem. A bomba peristáltica utilizada possui uma vazão de 100ml/min conforme o

fabricante, porém na prática essa vazão é um pouco menor, variando de 90ml/min a 100

ml/min. As bombas peristálticas foram acionadas através da comutação de um relé controlado

pelo microcontrolador.

A função executada no firmware (Figura 3.9) recebe um valor em mililitros, aciona o

relé correspondente ao fertilizante (macronutriente ou micronutriente) e faz uma contagem de

milissegundos no firmware utilizando a função nativa do Energia millis, que retorna um valor

de tempo em milissegundo relativo à quando foi chamado pela primeira vez na função. Como

a vazão varia de 85ml/min a 95ml/min, é possível estimar o nível de liquido.

Figura 3. 9 Fluxograma para dosagem com bomba peristáltica.

Fonte: Autor Proprio (2018).

39

3.3 SENSOR DE TEMPERATURA DS18B20

É um sensor digital termômetro que possui resolução de 9 a 12 bits. Possui precisão de

0.5ºC para temperaturas de -10ºC à 85ºC, medindo temperaturas de -55ºC a 125ºC. Utiliza a

tecnologia 1-Wire, a qual necessita apenas de um fio de informação e um terra para

comunicar-se com a plataforma de desenvolvimento. Cada sensor possui um código serial de

64 bits único, o que possibilita usar múltiplos DS18B20 funcionando no mesmo 1-Wire,

sendo simples controlar vários sensores distribuídos com um microcontrolador (MAXIM

INTEGRATED PRODUCTS, 2015).

O sensor possui uma memória ROM (Read Only Memory) onde são armazenados

dados de código CRC (8bits), número de série (48bits) e código de família (8bits). O código

CRC é o byte mais significativo da ROM e sua função é a validação da ROM. Os dados de

transferência entre o sensor e o microcontrolador são acessados através de endereços e

funções no equipamento.

Primeiramente, é selecionado um pino de saída para o barramento do sensor, depois é

executada a função que procura e lê todos os sensores conectados no barramento, guardando a

informação de endereço do sensor. Cada sensor possui um endereço único, após descobrir o

endereço de todos os sensores no barramento, é executada uma função no programa para

realizar a leitura de temperatura. A figura 3.10 retirada do datasheet mostra exemplos de

saídas para dadas temperaturas no sensor e a organização dos bits.

Figura 3. 10 Exemplos de saída digital do sensor.

Fonte: Adaptado de (MAXIM INTEGRATED PRODUCTS, 2015).

40

3.4 SENSOR HIGROMETRO DE AMBIENTE DHT22

O sensor DHT22 contem integrado um sensor de umidade e temperatura encapsulado.

Estes se comunicam digitalmente com o microcontrolador por meio de um terminal de entrada

e saída de dados bidirecional, permitindo configuração com alta velocidade de transmissão,

por volta de 4,3ms para transferir 40 bits de dados.

A figura 3.11 demonstra como é realizada a leitura dos dados. Inicialmente, o

microcontrolador envia um sinal para o sensor e o sensor manda uma resposta. Após essa

etapa o sensor está pronto para mandar o pacote de dados, contendo informações de umidade

e temperatura. Após essa leitura, é realizado uma verificação desses dados para garantir que

estão certos, chamada de CheckSum.

Figura 3. 11 Comunicação entre o microcontrolador e o sensor

Fonte: Figura adaptada de (AOSONG CO., s.d.).

3.5 FIRMWARE DO MICROCONTROLADOR

Inicialmente, são configurados os sensores DHT22 e DS18B20, é realizada a definição

das portas logicas para a placa de relés e inicializado a UART0 em 115200 bauds. O firmware

realiza a leitura dos sensores em loop. Quando um caractere é recebido na UART0, é

realizada a leitura e o caractere entra numa estrutura switch case. Nessa estrutura, o controle

dos motores é realizado e, quando requisitado, o valor da leitura dos sensores é enviado.

Caso o valor lido na UART0 seja ‘j’, os valores dos sensores serão processados em

uma string JSON para depois serem enviados ao Raspberry através da UART0. Esse tipo de

formato é utilizado para facilitar a leitura dos dados no servidor web, como esse formato é

41

padrão na linguagem Javascript, é facilmente processado pelo servidor. O fluxograma de

firmware é mostrado na figura abaixo.

Figura 3. 12 Fluxograma de firmware


Para a dosagem de fertilizantes, foi criado dez casos no switch case, selecionando qual

dos fertilizantes será utilizado, micronutrientes ou macronutrientes e também as quantidades

de 10, 20, 30, 40 e 50 mililitros. Quando acionado um desses casos, é utilizado a biblioteca de

dosagem por tempo com a bomba peristáltica, depois o servo motor é controlado para virar o

recipiente no tanque. Quando finalizado, é enviado uma string JSON via serial contendo

informações de quantidade e tipo de fertilizante dosado.

A entrada de água no tanque de 20 litros também será realizada em um case, uma

válvula solenoide de 12 volts normalmente fechada será energizada até que o sensor de nível

máximo do tipo boia comutar. Por fim, o ultimo case será o de irrigação. A hidrobomba e a

42

válvula solenoide de saída serão energizadas, irrigando os morangos. Um segundo sensor de

nível do tipo boia indicará quando o tanque estiver esvaziando.

3.6 Software NODE.JS

O código utiliza quatro bibliotecas essenciais: Express, SerialPort, MongoClient e

Socket.io, as quais são instalados através do NPM (O gerenciador de pacotes para Javascript).

O Express possui diversos recursos para criar aplicativos web de uma forma rápida e

minimalista, reduzindo as linhas de código e facilitando o entendimento. SerialPort foi

utilizada para comunicar o servidor com a porta serial, receber os dados e processa-los para

depois serem utilizados. MongoClient foi utilizada para comunicar-se com o banco de dados e

por fim, o Socket.io é utilizado para realizar a comunicação em tempo real entre a página

HTML e o servidor.

Inicialmente, são configuradas as bibliotecas com os parâmetros desejados. No

Express é configurado as rotas do site, a porta TCP/IP do servidor, que no caso é a 3000 e o

carregamento dos arquivos html dependendo da rota selecionada. No serial port, é criado uma

conexão com a porta USB do Raspberry em 115200 bauds. Tambem são realizadas as

configurações para a biblioteca do MongoDB e do Socket.io. Na figura 3.13 é mostrado o

fluxograma das configurações inicias e do envio do caractere ‘j’ para leitura de sensores a

cada 5 minutos.

Figura 3. 13 Configurações inicias e envio de caractere para receber dados de sensores.


43

Quando detectado um pacote de dados na porta USB, é chamada uma função de

parser (analisador) no código e toda a mensagem é lida. As mensagens que chegam do

microcontrolador são todas no formato JSON, sendo a primeira palavra dessa string uma flag

que separa o tipo de dado: sensores ou de dosagens. Após separar qual o tipo de resposta, é

feito outro parser na string e separando os dados em variáveis locais no código. Através da

função nativa de javascript Get-Date() é salvo os dados do dia e hora atuais.

Com as informações de data/hora do servidor e dados do microcontrolador, é utilizado

a biblioteca MongoClient para conectar-se no banco de dados, criando uma tabela com essas

duas informações (informação de sensores ou dosagens e hora/data). Além de escrever no

banco de dados, é possível ler os dados das tabelas, filtrando como desejado, e salvando-os

numa string JSON. O fluxograma da parte de leitura da serial e armazenamento no banco de

dados é mostrado na figura 3.14.

Figura 3. 14 Fluxograma de dados recebidos na serial, e salvos no banco de dados.


44

Para enviar os dados do servidor na página HTML é utilizado o Socket.io, uma

biblioteca utilizada para realizar comunicação em tempo real entre o navegador e o servidor.

No caso, utilizamos para receber dados de entrada da página HTML para o servidor, como por

exemplo inputs dos botões de controle e também enviar dados salvos no banco de dados para

criação dos gráficos. O fluxograma da parte do Socket.io é mostrado na figura 3.15.

Figura 3. 15 Requisições no Socket.io


3.7 CÓDIGO PAGINAS HTML

O código HTML foi criado utilizando a framework de código aberto Semantic, a qual

possui diversos componentes de layout prontos, facilitando a criação do site. As páginas do

45

projeto foram separadas em quatro partes para facilitar o entendimento e organização. A

primeira é a index, a qual contém o menu principal, utilizado para acessar as outras páginas. A

de controle (Figura 3.16) contêm botões que fazem ações no projeto como encher o tanque de

água, enviar a solução para a plantação e dosar ambos os fertilizantes líquidos em quantidade

selecionada.

Figura 3. 16 Fluxograma da página de controle.


46

A visualização dos dados está na aba de dados (Figura 3.17). Nela, o usuário

selecionará qual o intervalo de tempo desejado visualizar os dados oriundos dos sensores,

selecionando as últimas vinte e quatro horas, a última semana ou o último mês. A biblioteca

Chart.js foi utilizada para visualizar os gráficos.

Os dados de dosagem macro e micronutrientes serão disponibilizados numa quarta

página (Figura 3.18) em forma de gráfico de barras, para melhor comparação entre os valores

dosados. Finalizando, a aba about conterá algumas informações sobre o projeto, como fotos e

resumo.

Figura 3. 17 Fluxograma da página de gráficos.


47

Figura 3. 18 Fluxograma da página de dosagens.


3.8 PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO (PCI)

A placa de circuito impresso (Figura 3.19 e 3.20) foi projetada para interligar os

periféricos utilizados no projeto. Possui saídas para dois sensores de nível, sensor de

temperatura DS18B20, sensor de humidade e temperatura ambiente DHT22 e para o pino de

controle do servo motor. Ainda, existe uma conexão para a placa de relés utilizada,

conectando as entradas da placa com as saídas programáveis do microcontrolador.

A placa de relés realiza o controle dos periféricos de doze volts, porém além do controle

realizado pelo microcontrolador, foi adicionado chaves de liga e desliga para energiza-los sem

controlar pelo microcontrolador, se necessário.

48

Figura 3. 19 Esquemático da PCI projetada.


Figura 3. 20 Layout da PCI projetada.


49

3.8.1 Placa de relés

O módulo de relés com 8 canais será utilizado para realizar o controle do tipo on/off

dos motores e para alimentar o servo motor. Seis reles estão sendo utilizados, na IN2 está

conectada a bomba peristáltica para micronutrientes, na IN3 a bomba peristáltica para

micronutrientes, na IN4 a hidro bomba, na IN5 e IN6 as válvulas solenoides e na IN8 a

alimentação para o servo motor. A figura 3.21 mostra as ligações de um modulo de reles

idêntico, porém de dois canais, para melhor visualização do esquemático.

Nota-se que o acionamento do relé através do microcontrolador é ativo baixo.

Também, o acionamento é eletricamente isolado da porta de saída do microcontrolador por

um opto acoplador 817C.

Figura 3. 21 Esquemático do modulo relés de 2 canais para melhor visualização do circuito de acionamento.

Fonte: Figura adaptada de (DEJAN, 2018).

3.9 PROTÓTIPO

O protótipo teve participação de três laboratórios para seu desenvolvimento. Para

confecção de placas de circuito impresso foi utilizado o núcleo de eletrônica no prédio H2,

sob supervisão de Rodrigo Busato. Para confeccionar a PCI foi utilizado os materiais do

almoxarifado do curso de engenharia elétrica. A estrutura de madeira foi confeccionada pelo

50

André Hagen no núcleo de tecnologia mecânica, no prédio de engenharia mecânica. O

protótipo foi montado no laboratório de Física 119 do prédio B2, no ICEG (UPF). Jairo e

Vinicius foram os laboratoristas que ajudaram em ajustes na estrutura e no fornecimento de

materiais.

3.9.1 Visão geral do protótipo

A figura 3.22 mostra uma visão geral do protótipo com legendas. O item (A) mostra o

pote dosador acoplado ao servo motor. O item (B) mostra a caixa onde ficará o circuito de

controle do projeto. (C) mostra a localização das bombas peristálticas e (H) a localização da

hidrobomba. Item (I) mostra a válvula solenoide de entrada de água, (E) a válvula manual

para controle de pressão na tubulação. (F) e (G) são os reservatórios para os dois tipos de

fertilizantes e (D) o tanque para realizar a mistura. (J) mostra a localização da fonte de

alimentação.

Figura 3. 22 Protótipo montado com legenda.


51

3.9.2 Fonte de Alimentação

A fonte de alimentação (Figura 3.23) utilizada possui saídas de tensão +12V, -12V,

+5V, -5V e GND. No caso do projeto, foi utilizado as saídas de +5 Volts para o circuito de

controle e +12 Volts para a alimentação dos motores e válvulas solenoides. Possui 300 watts

de potência, mais do que suficiente para energizar todas cargas de doze Volts ao mesmo

tempo.

Figura 3. 23 Fonte de alimentação utilizada no projeto.


3.9.3 Circuito de controle

A caixa contendo o circuito de controle é mostrada na figura 3.24. Para exemplificar

os periféricos na caixa, foi inserido itens com ordem alfabética. O item (A) corresponde ao

Raspberry Pi 3 conectado ao microcontrolador através de um cabo USB. O item (B) mostra o

sensor DHT22 e (C) mostra a saída com prensa cabo para os sensores de temperatura

DS18B20. (D) mostra a entrada do cabo do servo motor. (E) a localização das cinco chaves

52

liga/desliga para controlar os periféricos de doze Volts. (F) mostra o microcontrolador ARM

juntamente com sua placa de circuito impresso. (G) é o modulo de reles de 8 canais, que está

conectada a placa. (I) mostra a entrada para os sensores de nível do tipo boia e (H) os cabos

para alimentação 5v.

Figura 3. 24 Caixa contendo o circuito de controle do projeto, com legenda.


3.9.4 Sensores de nível

A figura 3.25 mostra dentro do tanque de 20 litros. O item (A) mostra a válvula de

entrada de água com boia, à medida que o liquido enche o tanque, a boia fecha a válvula de

53

entrada manualmente. (B) e (C) mostram os sensores de boia com reed switch que serão lidos

pelo microcontrolador quando executada as funções de encher/esvaziar o tanque.

Figura 3. 25 Sensores de nível dentro do tanque.


3.9.5 Irrigação para os morangos

A irrigação para a plantação de 20 mudas de morangos está mostrada na figura 3.26. A

solução nutritiva é conduzida até a plantação após energização da válvula solenoide de saída.

A mangueira que leva a solução para os morangos possui pequenos furos para realizar a

irrigação por gotejamento.

54

Figura 3. 26 Irrigação por gotejamento na plantação.


3.9.6 Acoplamento servo motor na estrutura

A Figura 3.27 mostra de perto o acoplamento confeccionado para o servo motor, que

rotacionará para a direita. O acoplamento do dosador e do servo motor é feito via imãs. O

recipiente dosador possui quatro tubulações na sua tampa, duas para os fertilizantes macro e

micro, uma para saída do liquido após a dosagem e outra para entrada de ar no recipiente,

evitando que o liquido fique preso dentro do pote na hora de virar.

55

Figura 3. 27 Servo motor acoplado ao pote do dosador.


3.9.7 Diagrama da tubulação

A tubulação do projeto está exemplificada no diagrama da figura 3.28. A saída da

solução no tanque de 20 litros será realizada pela hidro bomba de 60 watts, como esse motor

possui capacidade para mover um alto fluxo de liquido, foi adicionado uma realimentação do

liquido controlada através de uma válvula manual, que faz com que parte do liquido volte ao

tanque. O restante passa por um filtro do tipo Y para filtragem de partículas solidas e após

passar pela válvula solenoide de saída, é irrigado nos morangos.

Os fertilizantes serão armazenados em dois reservatórios que ficarão ao lado do tanque

principal. Serão encaminhados ao pote do dosador através de pequenas mangueiras após a

energização das bombas peristálticas. Para o liquido ir do dosador ao tanque, um servo motor

irá rotacionar o pote e uma mangueira irá encaminhar o fertilizante dosado.

56

Figura 3. 28 Diagrama de tubulação utilizado no projeto.


3.9.8 Motores

As figuras 3.29 e 3.30 mostram a as bombas hidráulicas mais de perto. A hidrobomba

foi acoplada embaixo da estrutura, perto da saída da solução no tanque. As bombas

peristálticas estão dentro de uma pequena caixa próximo ao circuito de controle e dos

reservatórios de fertilizantes.

Figura 3.29 Hidrobomba para irrigar os morangos


57

Figura 3.30 Bombas peristálticas para dosagem de fertilizantes.


58

4. RESULTADOS

4.1 TESTE PRATICO DE DOSAGENS

O seguinte teste foi realizado para verificar a acurácia do projeto. Foram realizados

três testes nas diferentes doses para macronutrientes e micronutrientes com as bombas

peristálticas. Uma proveta de 50ml (Figura 4.1) foi utilizada para medir com precisão a

quantidade de liquido.

Figura 4. 1 Dosagens foram medidas utilizando uma proveta de 50ml, com +-0.5ml de precisão.


Os resultados obtidos estão demonstrados nos Quadros 4.1 e 4.2. O erro em percentual

foi calculado através de uma média aritmética dos três testes menos o valor esperado, dividido

pelo valor esperado vezes cem por cento, mostrado na equação 3.

(3)

Onde:

D1, D2 e D3: Dosagens práticas em ml.

V: Valor esperado em ml.

59

Quadro 4.1 Testes dosagem de macronutrientes.

Dosagem Macronutrientes

Dose esperada Teste 1 Teste 2 Teste 3 % de Erro

10ml 10.00 ml 10.05 ml 11.00 ml 3.50 %

20ml 20.05 ml 21.00 ml 22.00 ml 3.42 %

30ml 29.90 ml 31.00 ml 31.00 ml 2.11 %

40ml 41.00 ml 41.00 ml 42.00 ml 3.33 %

50ml 51.00 ml 52.00 ml 51.00 ml 2.66 % Fonte: Autor Próprio (2018).

Quadro 4.2 Testes dosagem de micronutrientes.

Dosagem Micronutrientes

Dose esperada Teste 1 Teste 2 Teste 3 % de Erro

10ml 11.00 ml 10.00 ml 11.00 ml 6.66 %

20ml 21.00 ml 20.00 ml 20.05 ml 1.75 %

30ml 29.90 ml 30.00 ml 31.00 ml 1.00 %

40ml 41.00 ml 42.00 ml 40.00 ml 2.50 %

50ml 49.90 ml 51.00 ml 50.00 ml 0.60%


Os resultados coletados durante esses três testes práticos são satisfatórios, os

maiores erros percentuais foram observados para as dosagens de 10 mililitros por causa do

menor valor no cálculo. Erros de mais ou menos dois mililitros podem ser considerados

irrelevantes. O erro é atribuído a falta de calibração precisa da função das bombas

peristálticas.

4.2 TABELAS NO BANCO DE DADOS

Pela interface gráfica do banco de dados (Figura 4.2), o MongoDB Compass, é

possível visualizar o banco de dados (Dosador) e suas respectivas tabelas (chamadas de

coleções): DHT22_hum, DHT22_temp, DS18B20_1, DS18B20_2, DS18B20_3, Dose_Macro

e Dose_Micro referentes aos valores recebidos do microcontrolador e analisados no servidor.

60

Ao lado, é possível ver a quantidade de documentos em cada coleção e seu tamanho em KB

(kilobytes).

Figura 4.2 Interface gráfica do MongoDB, Compass, mostrando as coleções no banco de dados.


Clicando em uma das coleções na lista (Figura 4.3) visualiza-se os documentos, os

quais contém os dados de data e valor de macronutriente em ml, no caso. Também é possível

visualizar os dados em tabela, fazer agregações (filtros) e visualizar o esquema dos dados.

Figura 4.3 Documentos de uma coleção no banco de dados.


61

4.3 Visualização das páginas html

A primeira página quando acessado o servidor é a página de index (Figura 4.4). Nela, é

acessado o menu principal, selecionando as abas de controle, about, sensores e dosagens. O

botão voltar das páginas seguintes voltarão a esse menu inicial.

Figura 4. 4 Menu Principal.


A página de controle é mostrada na figura 4.5. Possui botões para executar as funções

de entrada de água, liberar a solução nutritiva para os morangos e selecionar a quantidade de

macronutrientes ou micronutrientes a ser dosada no tanque.

Figura 4. 5 Página de controle.


62

A página de dosagens plota os dados armazenados no banco de dados em forma de

barra. É mostrada na figura dosagens. Nota-se que ao passar o mouse sobre algum dos dados,

é possível ver o valor e a data e hora.

Figura 4.6 Página de dosagens, com gráficos em barra.


A página de dados está na figura 4.7. Nela, é possível selecionar as últimas 24 horas

ou a última semana de dados sensoriais e plotar os gráficos de linha na página. Colocando o

mouse sobre o gráfico, é possível analisar os pontos.

63

Figura 4. 7 Página de dados, com gráficos em linha.


4.4 DADOS SENSORIAIS

Com o intuito de mostrar os gráficos na página dos sensores, foi feito um teste de 24

horas de leituras. Como o projeto está dentro de um laboratório, o valor de leitura dos

sensores não variou muito, porém é valido como demonstração da funcionalidade do projeto.

As figuras 4.8, 4.9 e 4.10 mostram essas 24 horas de leituras, entre os dias 03/12 e 04/12, cada

gráfico possui cerca de 300 pontos.

Em todos os gráficos é possível notar uma variação no começo, foi causada por uma

queda de conexão wi-fi do Raspberry durante o teste entre 13:47 e 14:27, o que explica a

mudança abrupta de valores. Nota-se que os gráficos possuem o eixo X invertido do que

normalmente é plotado, isso é ocasionado pela forma de como é coletado os dados. Nesse

caso, foram coletados os últimos dados armazenados no banco de dados.

64

Figura 4.8 Gráfico de temperatura DS18b20 na interface html.


Figura 4.9 Gráfico de temperatura ambiente (Dht22) na interface html.


65

Figura 4.10 Gráfico de humidade ambiente (dht22) na interface html.


66

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Observando os objetivos propostos no início do trabalho, conclui-se que o protótipo

satisfez todas as especificações do projeto. O protótipo realiza a função de dosagem de

fertilizantes, entrada de água no tanque e irrigação para os morangos, guardando as

informações de dosagem e sensoriamento em um banco de dados. Também, é possível acessar

o controle e visualização de dados através de uma página html na rede wi-fi local. Para abrir o

servidor à internet, seria necessário criar uma tela de autenticação de usuário, se não, qualquer

um poderia controlar o projeto à distância.

A possibilidade de um controle automático de dosagem de fertilizantes poderá ser

desenvolvida em uma aplicação futura, para isso seria necessário adicionar mais sensores

como por exemplo, leitura de pH do reservatório, condutividade da solução nutritiva, entre

outros. Um trabalho futuro será o de complementar esse trabalho com uma dissertação

desenvolvida no mestrado de computação aplicada da UPF sobre visão computacional

aplicada na área de morangos, onde foi analisada a área foliar da planta para verificar doenças

e seu crescimento.

67

REFERÊNCIAS

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