proposta de sistema de irrigaÇÃo automatizado … · tabela 1: características de irrigação...
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¹ Juliano Amorim Gomes Graduando do Curso de Engenharia Mecatrônica da Universidade de Araraquara -
UNIARA. 2019. Araraquara-SP. E-mail: [email protected].
² Danilo Carlos Rossetto Minhoni Orientador. Docente do Curso de Engenharia Mecatrônica da Universidade de
Araraquara - UNIARA. Araraquara-SP. E-mail: [email protected]
Engenharia Mecatrônica
PROPOSTA DE SISTEMA DE IRRIGAÇÃO AUTOMATIZADO
UTILIZANDO PLATAFORMA ARDUINO
Resumo: Este trabalho propõe um sistema automatizado que realize a irrigação
quando necessário e na quantidade de água que as plantas realmente necessitam. A rega por
aspersão permite obter uma boa eficiência em sua utilização quando comparado com os
métodos restantes. Assim, tendo em vista um melhor fornecimento de água para as
plantações, e tem como objetivo o dimensionamento de um sistema de rega por aspersão e a
identificação de tipos alternativos de bicos para melhorar o desempenho do sistema.
Por meio de pesquisa e artigos científicos, determinou-se que a umidade do solo,
umidade do ar e a temperatura são os principais meios que definem a quantidade de água que
deve ser fornecida para o melhor desenvolvimento da plantação.
Para coletar esses dados, serão utilizados um sensor de umidade do solo para saber o
estado que o solo se encontra, e um sensor de umidade relativa do ar e sensor de temperatura
para indicar as condições climáticas. Estes dados serão enviados para o sistema
microcontrolador (Arduino), que recebe sinais destes sensores e define se as plantas devem ou
não ser irrigadas, e toma a decisão de enviar um sinal à eletroválvula que permite a passagem
de água pela rede hidráulica até a plantação. Proporcionando um crescimento das plantas
rápido, uniforme, e não atuando em dias chuvosos, reduzindo assim, o consumo de água.
Palavras-chave: Irrigação. Arduino. Automatizado. Umidade. Solo. Aspersão.
Juliano Amorim Gomes¹
Danilo Carlos Rossetto Minhoni²
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INTRODUÇÃO
A irrigação automática consiste em um procedimento importante quando se pensa em
praticidade, economia de água, energia e tempo, pois tem a função de manter o solo sempre
de acordo com a necessidade imaginada para as plantas, mantendo-as saudáveis, necessitando
de menor influência humana e se tornando confiável. De forma geral, a irrigação automática
pode se dar de maneiras diferentes; existem métodos automatizados onde podem ser
programados para irrigar em um horário específico, em intervalos de tempo ou tendo
monitoramento de solo, e somente irrigando de acordo a umidade apresentada.
Objetivo
Desenvolver um sistema de irrigação automatizado que possa monitorar e controlar a
umidade baseado na tecnologia Arduino, podendo assim, proporcionar ao usuário, dados de
monitoramento e automatizar o sistema de irrigação. Além disso, espera-se obter o
entendimento da estrutura, modos de aplicação, benefícios, funcionamento e uso desta
tecnologia, juntamente com sistemas de irrigações e sensores.
Justificativa
Os recursos hídricos têm fundamental importância no desenvolvimento de diversas
atividades econômicas. Em relação à produção agrícola, a água pode representar até 90% da
constituição físicas das plantas. A ausência de água na fase de crescimento das plantas pode
dificultar a produção agrícola.
Em locais onde a irrigação é feita manualmente, a planta recebe água de maneira
desigual, por mais que o produtor seja experiente é inviável regar todas as plantas, sem
instrumentos de medição ou sensoriamento, com a mesma quantidade de água. Sendo assim, é
impossível saber se a planta recebeu quantidade suficiente de água para se desenvolver de
maneira saudável e uniforme.
Com a automatização da irrigação, pretende-se garantir que as plantas sejam irrigadas
sempre que necessário, através de sensores de umidade instalados em alguns pontos das
plantações para realizar a leitura da umidade do solo em tempo integral. Com isso, no
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momento em que as plantas precisarem de água, o sensor irá detectar, fazendo o acionamento
do sistema. Este permanecerá ligado até que atinja o tempo determinado para o seu
desligamento.
Problema e Hipótese da pesquisa
Deve-se tomar alguns cuidados com a irrigação, pois se for irrigada excessivamente,
haverá diminuição do oxigênio do solo, podendo ocasionar o apodrecimento das raízes, a
proliferação de fungos e até a morte da planta.
Ao realizar uma irrigação manual, com a possibilidade de regas desequilibradas, pode
gerar o crescimento desordenado das plantas.
Deste modo, com a aplicação da irrigação automatizada, pretende-se que as plantas
sejam regadas de forma invariável, para que seu crescimento seja uniforme e que haja redução
no número de plantas mortas, quer seja pela falta de água necessária ou excesso da mesma.
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1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 Irrigação
A irrigação é uma técnica milenar que tem por objetivo fornecer a quantidade necessária
de água à planta no momento em que ela necessita e na quantidade exata, para que a espécie
cultivada possa expressar todo o seu potencial produtivo (DAKER, 1970).
O interesse pela irrigação, no Brasil, emerge nas mais variadas condições de clima, solo,
cultura e sócio economia. Não existe um sistema de irrigação ideal, capaz de atender
satisfatoriamente a todas essas condições e aos interesses envolvidos. Em consequência, deve
selecionar o sistema de irrigação mais adequado para certa condição e para atender aos
objetivos desejados. O processo de seleção requer análise detalhada das condições
apresentadas (cultura, solo e topografia), em função das exigências de cada sistema de
irrigação, de forma a permitir a identificação das melhores alternativas (ANDRADE &
BRITO, 2006).
De acordo com MASTROIANO (2011), o fornecimento de água ao solo é,
primeiramente, classificado em dois grandes grupos, de acordo com a forma que água chega
às plantas. Esses grupos são:
Rega por gravidade: é também conhecida como irrigação superficial, pois a água é
aplicada a superfície do solo e desloca-se por este de um nível mais alto para um nível
mais baixo devido a força da gravidade;
Rega sob pressão: a água é distribuída ao terreno com pressão, através de bombas
hidráulicas;
O segundo método em que são divididos a irrigação, é de acordo com a área de atuação,
podendo ser uma irrigação concentrada ou distribuída, que são:
Micro irrigação (irrigação concentrada): também conhecida como irrigação
localizada ou parcial, ocorre quando a água é fornecida a uma parte do terreno, isto é,
apenas onde se encontra as raízes das plantas cultivadas. Esta técnica pode ser feito
por gotejadores ou micro aspersores.
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Macro irrigação (irrigação distribuída): Também conhecida como irrigação
intensiva ou total, ocorre quando a água é fornecida a toda área da superfície do
terreno. Esta técnica pode ser feita por escorrimento, submersão, infiltração ou
aspersão.
Na irrigação por escorrimento, submersão e infiltração, são realizados simplesmente
através de mangueira ou das chuvas que enchem os canteiros e os sulcos respectivamente de
água.
A irrigação por gotejamento se faz através de linhas de mangueiras, começando-se da
primeira planta e terminando na última planta a ser irrigada, sendo que em cada local que se
possui uma planta há um orifício na mangueira por onde a água sai.
A irrigação por aspersão é feita de diferentes modos, isso porque existem diferentes tipos
de bicos ou jatos. O que gera maior versatilidade neste método de irrigação são as grandes
diferenças de alcance de raio do bico a ser escolhido.
A figura 1 mostra um bico injetor e a tabela 1 mostra alguns modelos existentes de bicos,
o fluxo máximo e mínimo e o alcance que eles conseguem atingir. Estes bicos trabalham em
alta pressão, com giro de 360° para fazer uma irrigação uniforme, ideal para irrigar áreas de
grandes portes, devido seu alcance.
Figura 1: Bico injetor (canhão)
Fonte: WEISHI, 2019
Tabela 1: características de irrigação com bico injetor
Modelo Fluxo de água (m³/h) Alcance em diâmetro(m)
Pistola 30 07 a 11 44 a 56
Pistola 40 18 a19 56 a 64
Pistola 50 25 a 30 64 a 96
Fonte: WEISHI, 2019
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1.2 Métodos de irrigação
O primeiro passo no processo de seleção do sistema de irrigação mais adequado para certa
situação consiste em selecionar antes o método de irrigação. Vários fatores podem afetar a
seleção no método de irrigação. No quadro 1, encontram-se alguns métodos de irrigação,
característica sobre terreno a ser irrigado e a influência que exerce o vento sobre cada método.
Quadro 1: Fatores que influenciam na seleção do método de irrigação
Métodos Fatores
Declividade Taxa de Infiltração
Sensibilidade da
Cultura ao
Molhamento
Efeito do vento
Superfície
Área deve ser plana
ou nivelada
artificialmente a um
limite de 1%.
Maiores declividades
podem ser
empregadas tomando-
se cuidados no
dimensionamento.
Não recomendado
para solos com taxa
de infiltração acima
de 60mm/h ou com
taxa de infiltração
muito baixa.
Adaptável a cultura do
milho, especialmente
o sistema de sulcos.
Não é problema para o
sistema de sulcos.
Aspersão Adaptável às diversas
condições.
Adaptável às mais
diversas condições.
Pode propiciar o
desenvolvimento de
doenças foliares.
Pode afetar a
uniformidade de
distribuição e a
eficiência.
Localizada Adaptável às mais
diversas condições.
Todo tipo. Pode ser
em casos extremos,
como solos muitos
arenoso ou muito
pesados.
Menor efeito de
doenças que a
aspersão. Permite
umedecimento de
apenas partes da área.
Nenhum efeito no caso
de gotejamento. Mas no
caso de microaspersão
pode afetar a
uniformidade de
distribuição e a
eficiência.
Subirrigação Área deve ser plana
ou nivelada.
O solo deve ter uma
camada impermeável
abaixo da zona das
raízes, ou lençol
freático alto que possa
ser controlado.
Adaptável à cultura do
milho desde que o
solo não fique
encharcado o tempo
todo. Pode prejudicar
a germinação.
Não tem efeito.
Fonte: SPILLAN e CRANDALL (2019)
A figura 2 mostra a eficiência de alguns métodos de irrigação, sendo que o círculo
maior indica que o método de inundação e sulcos são os métodos de menor eficiência, que
correspondem a 85% da área irrigada no Brasil. Já o método de gotejamento que é o mais
eficiente corresponde a uma área menor que 5%. Após o estudo desses métodos citados,
utilizou-se neste projeto o método de irrigação localizado através de microaspersão.
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Figura 2: Eficiência dos principais métodos de irrigação e sua participação na área irrigada
Fonte: SÁ, 2019
1.3 Irrigação Localizada
No método da irrigação localizada a água é, em geral, aplicada em apenas uma fração
do sistema radicular das plantas, empregando-se emissores pontuais (gotejadores), lineares
(tubos poroso ou “tripa”) ou superficiais (micro aspersores). A proporção da área molhada
varia de 20% a 80% da área total, o que pode resultar em economia de água. O teor de
umidade do solo pode ser mantido alto, através de irrigações frequentes e em pequenas
quantidades, beneficiando cultura que respondem a essa condição. O custo inicial é
relativamente alto, tanto mais alto quanto menor for espaçamento entre linhas laterais. É um
método que permite automação total, o que requer menor emprego de mão de obra na
operação. Os principais sistemas de irrigação localizada são o gotejamento, microaspersão e o
gotejamento subperficial. (EMBRAPA, 2019).
A grande vantagem do sistema de gotejamento, quando comparado com o de aspersão,
é que a água, aplicada na superfície do solo, não molha a folhagem ou o colmo das plantas.
Comparado com o sistema subsuperficial, as vantagens são a facilidade de água e a
interferência nas práticas culturais quando as laterais não são enterradas, instalação, inspeção,
limpeza e reposição, além da possibilidade de medição da vazão de emissores e avaliação da
área molhada. As maiores desvantagens são os entupimentos, que requerem excelente
filtragem da água e a interferência nas práticas culturais quando a laterais não são enterradas.
(EMBRAPA 2019).
A figura 3 mostra linhas de mangueiras esticadas. Verifica-se que ao redor de onde se
encontram as plantas, o solo se encontra com uma cor mais escura, isso ocorre devido ao
orifício na mangueira por onde sai a água, de forma lenta, mas constante.
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Figura 3: Sistema de irrigação por gotejamento
Fonte: Dreamstime , 2019
Microaspersão: De acordo com SILVA & SILVA (2005), a perda de água nos
sistemas por aspersão são, normalmente, maiores do que na irrigação por gotejamento.
Isso ocorre devido à maior superfície molhada do solo e porque, na microaspersão, a
água lançada ao ar. Mesmo operando próximo à superfície do solo, os microaspersores
têm sua uniformidade afetada significativamente pelo vento, resultando em arraste das
gotas numa determinada direção. Na figura 4 pode-se observar o sistema de
microaspersão.
Figura 4: Método de Microaspersão
Fonte: CAMPOS, 2016
1.4 Sistema De Irrigação Automatizada
São utilizados em sistemas de irrigação: sistema de controle em malha aberta e
sistema de controle em malha fechada.
Segundo GHIZZI (2017) o objetivo de um sistema de controle é receber uma variável
e controlar essa variável com base em uma referência dada.
OGATA (2000) diz que o sistema de malha aberta não mede o sinal de saída para
comparar o sinal com a referência, por conta disto não é possível garantir que o controle do
sinal está sendo feito de forma desejada. A malha aberta é utilizada em sistemas que as
entradas e saídas são conhecidas ou quando os distúrbios podem ser desconsiderados, como
representado pela figura 5.
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Figura 5: Diagrama simples do funcionamento de um sistema de controle em malha aberta
.
Fonte: GHIZZI, 2017
Para um sistema de irrigação o sinal de referência pode ser uma decisão tomada pelo
operador para acionar ou desligar o relé que comanda a bomba que irriga uma determina
região; ou até mesmo instantes que determinam o intervalo de tempo no qual um relé
temporizador deve manter a bomba acionada, e qual o volume total de água a ser aplicado
(TESTEZLAF, 2010).
A Figura 6 apresenta, com mais detalhes, um exemplo de um sistema de controle de
Irrigação em malha aberta.
Figura 6: Sistema de irrigação malha aberta
Fonte: TESTEZLAF, 2010
Nesse sistema de controle em malha aberta o produtor deve definir o intervalo de
tempo entre irrigações e a duração da irrigação, onde a estratégia de controle é basicamente
função da lógica programada pelo usuário.
A principal vantagem desse tipo de controle é o baixo custo. Por outro lado, este tipo
de sistema não é capaz de responder automaticamente mudanças no ambiente que exijam
resposta imediata por parte do controlador.
Em um sistema de controle em malha fechada tem-se a presença de um sensor capaz
de enviar informação do processo ao controlador, permitindo, então, que o controlador seja
capaz de tomar decisões automaticamente, a partir de alguma estratégia de controle definida
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pelo operador. A figura 7 apresenta um diagrama de um sistema de controle de malha
fechada.
Figura 7: Diagrama de um sistema de controle em malha fechada
Fonte: GHIZZI, 2017
Portanto, o sistema em malha fechada apenas acrescenta uma funcionalidade a mais ao
sistema em malha aberta: a opção de realizar-se o controle de processo de maneira
automática, mediante possíveis alterações no estado do processo (TESTEZLAF, 2010).
Figura 8: Sistema de controle de irrigação em malha fechada
Fonte: TESTEZLAF, 2010
Na figura 8, todas as funcionalidades de um sistema de controle em malha aberta são
preservadas. Por sua vez, adicionou-se, mais um recurso ao sistema, tornando-o capaz de
tomar decisões em função do estado atual do processo. Especificadamente, foi adicionado um
sensor capaz de detectar a umidade do solo e transmitir esta informação ao controlador que,
por sua vez, em função da umidade do solo acionará ou desligará o elemento atuador sobre o
processo (bomba). (TESTEZLAF, 2010).
1.5 Sensores utilizados em sistemas de irrigação
Os sensores são dispositivos que surgiram para auxiliar na automação de máquinas,
equipamentos e processos, substituindo as chaves de acionamento mecânico dando maior
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versatilidade e durabilidade às aplicações. Um sensor pode ser definido como um transdutor
que altera a sua característica física interna devido a um fenômeno físico externo (ROSÁRIO,
2005), este sensor modifica seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo
oferecer, direta ou indiretamente, um sinal que indica essa grandeza e transformando uma
quantidade física em sinal elétrico.
Os sensores recebem sinais físicos e têm por função converter em sinais elétricos,
estes podem ser qualificados de acordo com o sinal de saída, em sensores analógicos e digitais
e pelo seu tipos: indutivos, capacitivos, magnéticos, ultrassônicos e laser.
Os sensores analógicos podem assumir qualquer valor em seu sinal de saída ao longo
do tempo, desde que esteja dentro da sua faixa de operação, e os sensores digitais assume
apenas dois valores no seu sinal de saída ao longo do tempo, que podem ser interpretado com
0 e 1.
Os sensores envolvidos em sistemas de irrigação dependem de alguns fatores: o tipo
de cultura, o comprimento da área. Os sensores mais comuns para um sistema automatizado
de irrigação são: sensor de umidade de solo, sensor de umidade relativa do ar e temperatura e
sensor de chuva.
Sensor de umidade: A figura 9 mostra o sensor de umidade do solo. O Sensor de
Umidade do Solo tem a finalidade de detectar variações de umidade do solo. Caso o
solo esteja seco o sensor conserva a saída digital em nível alto e quando o solo estiver
úmido a saída digital se mantém em nível baixo, recomenda-se para ter uma resolução
melhor, é possível utilizar a saída analógica A0 e conectar a um conversor analógico e
digital. O sensor opera com uma tensão 3,3v a 5v.
A sensibilidade de detecção do Sensor de Umidade do Solo pode ser ajustada a partir
de um pequeno potenciômetro trimpot que se encontra na placa (Oliveira, 2019).
Figura 9: Sensor de umidade
Fonte: Oliveira, 2019
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Sensor de umidade relativa do ar e temperatura: A figura 10 mostra do sensor de
umidade relativa do ar e temperatura RHT03. O sensor opera com tensão de 3 a 6
VDC, e possui saída de sinal digital. Opera na faixa de -40ºC a 80°C para temperatura
de 0-100% para umidade relativa. Para temperatura do ar, possui incerteza de 0,2ºC
para faixa de -20°C a 60°C, e para outras faixas de 0,5°C. Para umidade relativa do ar
possui incerteza de 2%. (Garagem, 2012).
Figura 10: Sensor de umidade relativa do ar e temperatura DTH03
Fonte: Garagem, 2012
Sensor de chuva: A figura 11 corresponde ao sensor de chuva. Este sensor detecta
presença da chuva, enviando dados para o microcontrolador, que pode estar distante
do sensor. Este sensor é compatível com toda família Arduino e do PIC. A conexão do
sensor é realizada através do pino digital do Arduino ou através de uma porta
analógica.
Para ligar este sensor deve-se utilizar um resistor, quanto maior for o valor do resistor,
maior será a sensibilidade deste sensor. Para obter um bom funcionamento, é necessário
instalá-lo com um ângulo de ± 45° de inclinação, pois ele acionará assim que a água da
chuva tocar em sua placa. (LIMA, 2012).
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Figura 11: Sensor de chuva
Fonte: LIMA, 2012
1.6 Microcontrolador Arduino
O Arduino foi primeiramente desenvolvido por Massimo Banzi e Dave Cuartiellees e
o software por David Mellis e Nicholas Zambetti. As primeiras versões eram com
comunicação serial, USB e Bluetooth, todos com microcontrolador Atmega 8, as mais novas
versões são com o Atmega 168, Atmega 328 entre outras.
O Arduino é um microcontrolador de placa única e um conjunto de software para
programá-la. O hardware consiste em um projeto simples de hardware livre para o
controlador, com um processador Atmel AVR e suporte embutido de entrada/saída. O
software consiste de uma linguagem de programação padrão e do bootloader que na placa
(MCROBERTS,2011).
Em termos práticos, um Arduino é um pequeno computador que pode ser programado
para processar entradas e saídas entre dispositivos e os componentes externos conectado com
ele. O Arduino é o que chamamos de plataforma de computação física ou embarcada, ou seja,
um sistema que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software
(MCROBERTS, 2011).
É possível utilizá-lo para controlar, monitorar, automatizar, etc. Existem projetos de
monitoramento da qualidade do ar, medição da temperatura de um líquido, sistemas de
irrigação, robôs, impressoras 3D, dentre vários outros.
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O Arduino pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software, além
disso, todo material (software, bibliotecas, hardware) é open-source, ou seja, pode ser
reproduzido e usado por todos, sem a necessidade de pagamento de direitos autorais.
A figura 12 mostra os blocos do Arduino Uno.
Figura 12: Blocos do Arduino
Fonte: ARDUXOP, 2019
O ambiente de desenvolvimento do Arduino é um compilador que utiliza a linguagem
(C e C++), e que usa uma interface gráfica construída em Java, que pode ser vista na figura
13. Basicamente, se resume a um programa concebido na IDE (interface Development
Environment), simples de utilizar e de manusear com bibliotecas que podem ser facilmente
encontradas. As funções da IDE do Arduino são basicamente duas: permitir desenvolvimento
de um software e enviar à placa para que possa ser executado (JACEE, 2012).
Figura 13: Ambiente de programação
Fonte: JACEE, 2012
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Existem diversas placas de Arduino, sendo que o que diferencia é o numero de
entradas analógicas e digitais, a quantidade de memória disponível e o microcontrolador.
Interface de sinais ( adequação de entrada e saída de sinais): O Arduino opera com
uma alimentação de 5v, mas dependendo do projeto torna-se necessário a ligação de
motores, válvulas solenoide, sendo que estes itens necessitam de uma tensão para
acionamento de 110 a 220 Volts. Para realizar o acionamento, de uma válvula
solenoide que opera com uma tensão 220Volts, é necessário o uso do relé que
funciona como interruptor, mas que é acionado por baixa tensão.
Figura 14: Relé shield
Fonte: FILIPEFLOP, 2019
A figura 14 mostra o relé shield, que são placas desenvolvidas para serem acopladas
diretamente ao Arduino. Desta forma aumenta-se as funcionalidades do arduino . Esta placa
possui quatro relés sendo que cada um suporta tensão de até 250volts em corrente alternada,
ou 30volts de corrente contínua e corrente de 10 Amperes. Para o acionamento deve-se
aplicar uma tensão de 5volts entre dois pinos de controle (bobina) que os outros dois
comandos fecharão o circuito.
Este dispositivo permite uma integração com microcontroladores como Arduino,
AVR, PIC, ARM. A partir das saídas digitais pode-se, através do relé, controlar cargas
maiores e dispositivas como motores AC/DC, eletroímãs, solenoides, lâmpadas
incandescentes e eletrodomésticos.
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2. DESENVOLVIMENTO DA PROPOSTA DO SISTEMA DE IRRIGAÇÃO
AUTOMATIZADO
Existem basicamente dois tipos de controladores em um sistema de irrigação, o
sistema de controle de malha aberta e o sistema de controle de malha fechada, sendo que a
diferença entre eles é que, os sistemas em malha fechada possuem realimentação.
A figura 15 mostra o diagrama de blocos do circuito do projeto proposto, sendo que o
funcionamento ocorre da seguinte forma:
Os sensores de umidade do solo e o sensor RHT03 ficam enviando um valor ao
microcontrolador, que neste projeto é o Arduino. Assim que chegar ao set point pré-
estabelecido na programação, o Arduino envia um sinal para a válvula solenoide, sendo que
esta válvula tem a função de realizar o processo de liberar e trancar a passagem da água, para
que ocorra a irrigação.
Figura 15: Controle de malha fechada da irrigação
Fonte: Do Autor, 2019
O sistema hidráulico da proposta do sistema de irrigação automatizado utiliza um
sistema convencional, que consiste em transmitir a água de uma bomba até aos canos onde
são acopladas as mangueiras.
A figura 16 mostra o funcionamento da rede hidráulica desta proposta de sistema de
irrigação, sendo que uma mangueira de ½ polegada (A), é acoplada na válvula solenoide (B),
e ao final da mangueira de ½ polegada é acoplada o mini bocal rotativo (C), sendo fixado
através de uma abraçadeira (D).
Controlador
(Arduino)
Processo
(Válvula
Solenoide)
Sensor
Entrada Saída
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Figura 16: Componentes da rede hidráulica
Fonte: Do Autor, 2019
O circuito eletrônico da figura 17 é responsável por receber as informações dos
sensores e tomar as decisões, e através do programa contido em sua memoria irá ou não ativar
a válvula solenoide, que controlará a passagem da água para o sistema de irrigação.
Figura 17: Circuito eletrônico
Fonte: Do Autor, 2019
Os principais componentes que formam o circuito eletrônico da figura 17 são: Placa
microcontrolador, sensor de umidade do solo e sensor de umidade relativa do ar e temperatura
RHT03.
O sensor de umidade do solo faz a leitura do solo variando sua resistência de 0 a 1024
de acordo com a quantidade de água existente no solo, sendo que quanto maior a quantidade
de água menor a resistência que o sensor oferece, e quanto menor a quantidade de água no
solo, maior a resistência do sensor. Trabalha com uma tensão de 3,3v ou 5v, possui uma
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tensão de saída de 0 à 4,2v e possui saída analógica para se comunicar com o
microcontrolador.
O sensor de umidade relativa do ar e temperatura do modelo RHT03 já são calibrados
e se comunicam com o Arduino através do protocolo MaxDetect que utiliza apenas sinal
digital para enviar e receber informações.
O valor da temperatura é aferido através de um termistor NTC e a umidade relativa
através de um sensor capacitivo. Há também uma curva de compensação de temperatura salva
dentro da memória OTP e faz ajuste por todas as faixas de atuação deste sensor. Pode operar
com umidade de 0 a 99,9% e resolução de 0,1%, suporta uma faixa de temperatura de -40°C a
80°C e resolução de 0,1ºC, e a tensão de trabalho é 3V a 5,5V.
O relé shield é um componente eletrônico utilizado em circuito eletrônico, quando
pequena tensão devem acionar equipamentos de grande potência. Ele contém internamente
uma chave magnética que é acionada quando recebe a tensão do circuito, permitindo a
passagem da tensão que estava bloqueando (NF).
A válvula solenoide (eletroválvula) é uma válvula que quando desenergizada não
permite a passagem de água para o sistema de irrigação. É uma válvula normalmente fechada
(NF), porém quando recebe tensão de (220 VCA), cria-se um campo magnético que atrai um
pistão metálico, liberando a passagem de água para o sistema.
A figura 18 mostra um fluxograma que indica a lógica utilizada para que ocorra o
acionamento do sistema de irrigação.
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Figura 18: Fluxograma do acionamento do sistema de irrigação
Fonte: Do Autor, 2019
Leitura dos sensores de umidade do solo (S1, S2, S3 e S4)
Leitura sensor de umidade relativa do ar e temperatura (SRT)
S1ou S2 ou S3 ou S4 ≤ 65%
Ou
S1 e S2 e S3 e S4 ≤ 85% e
SRT ≥ 45%
Não
Acionamento da válvula solenoide
Sim
Tempo= 8 minutos
Desligamento da válvula solenoide
Fim
Sim
Não
Início
20
O fluxograma da figura 18 funciona da seguinte forma:
Quatros sensores de umidade do solo realizam a leitura do solo em tempo integral
onde se encontram as plantas, e no momento em que qualquer um dos sensores fica
abaixo do valor de 65% de umidade do solo, ocorrerá o acionamento da válvula
solenoide, e ficará ligada durante 8 minutos e depois fechará.
O sensor de umidade relativa do ar e temperatura RHT03 deve constar a leitura de
45ºC e todos os valores dos sensores de umidade do solo devem estar abaixo do valor
de 85%. Atendendo estas condições, a válvula solenoide ativará por 8 minutos e
depois fechará.
2.1 Resultados
Para determinar o melhor momento para o acionamento da válvula solenoide, foram
utilizados os resultados aferidos através da leitura do sensor de umidade de solo em 12 mudas
de Allium fistulosum, também conhecida como cebolinha, sendo que quatro destas mudas
encontravam-se em solo seco, quatro em solo úmido e as outras quatro estavam com excesso
de água no solo.
Os resultados da tabela 2 foram obtidos da seguinte forma: em uma plantação de
cebolinha, foram instalados quatro sensores, e estes foram observados durante um intervalo
de tempo de uma hora, em solo seco. Os cinco primeiros valores de umidade de solo aferidos
pelos sensores foram utilizados para preencher a tabela 2.
Tabela 2: Mudas de cebolinha com solo seco
Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4
20% 24% 25% 27%
19% 26% 24% 26%
20% 25% 26% 26%
20% 26% 25% 27%
20% 26% 25% 27%
Fonte: Do Autor, 2019
Os resultados da tabela 3 foram obtidos da mesma forma que a tabela 2, porém, foram
utilizadas mudas com solo úmido.
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Tabela 3: Mudas de cebolinha com solo úmido
Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4
68% 62% 70% 78%
67% 64% 69% 80%
68% 63% 71% 79%
68% 63% 71% 79%
67% 63% 71% 79%
Fonte: Do Autor, 2019
Os resultados da tabela 4 foram obtidos após molhar o solo excessivamente, depois
foram utilizados os mesmos procedimentos da tabela 2.
Tabela 4: Mudas de cebolinha com excesso de água no solo
Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4
90% 93% 94% 98%
89% 94% 94% 97%
91% 93% 93% 99%
91% 93% 93% 96%
91% 94% 94% 97%
Fonte: Do Autor, 2019
Com base nos resultados obtidos nas tabelas 2,3 e 4, conclui-se que o momento ideal
para a irrigação da planta avaliada é quando o valor aferido pelos sensores de umidade de solo
atingirem a umidade igual ou inferior a 65%.
A tabela 5 mostra os números de atuações e o tempo em que o sistema automático
esteve ativo em um período de cinco dias. O sistema automático de irrigação atua num
período de 8 minutos quando está ativada.
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Tabela 5: tempo de atuação da irrigação automatizada
Dias Atuação do solenoide durante o
dia todo
Tempo total de atuação do
solenoide
1 15 2h e 00 min
2 13 1h e 44 min
3 0 0h e 00min
4 4 32 min
5 13 1 h e 44 min
Fonte: Do Autor, 2019
A tabela 5 mostra o número de vezes em que o sistema automático de irrigação ativou
durante cinco dias. Nota-se que no terceiro dia o sistema não atuou. Isto ocorreu porque
choveu na maior parte do tempo e o solo foi irrigado de forma excessiva, e já no quarto dia o
sistema atuou quatro vezes, devido à umidade do solo após a chuva.
Na figura 19 a temperatura está em 27°C. As leituras dos quatro sensores de umidade
do solo estão respectivamente com os valores 74%, 78%, 76%, 72%. A válvula solenoide
encontra-se desligada, porque a umidade do solo é superior a 65% de solo.
Figura 19: controle eletrônico com a válvula solenoide desligada
Fonte: Do Autor, 2019
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Na figura 20 mostra a temperatura está em 27°C e as leituras dos quatros sensores de
umidade de solo estão respectivamente com os valores 75%, 78%, 76%, 65%. A válvula
solenoide encontra ligada, pois o set point para o acionamento do sistema é menor ou igual a
65% de umidade de solo.
Figura 20: controle eletrônico com a válvula solenoide ligada
Fonte: Do Autor, 2019
Na figura 21, o retângulo vermelho indica o local onde o sensor de umidade do solo
encontra-se na mudas de cebolinha.
Figura 21: Sensor de umidade do solo na muda de cebolinha
Fonte: Do Autor, 2019
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CONCLUSÃO
O desenvolvimento do trabalho proposto, um sistema de irrigação automatizado,
ocorreu da forma esperada, ou seja, sua eficiência em detectar, com precisão, a necessidade de
água no solo, permitindo assim, a irrigação no tempo ideal e quantidade de água necessária
para proporcionar um crescimento das plantas rápido, uniforme, e não atuando em dias
chuvosos, reduzindo assim, o consumo de água e fornecendo um melhor desenvolvimento da
planta, neste caso, a cebolinha.
A utilização da tecnologia Arduino é de fácil entendimento, não exigindo do usuário
um conhecimento profundo de microcontroladores, eletrônica ou programação.
Para ampliar esse estudo, e implementar mais sensores, faz-se necessário, a criação de
uma central de monitoramento, para que o microcontrolador (Arduino), e o display não
fiquem expostos ao sol e a chuva.
O método de microaspersão funcionou como desejado, porém, de acordo com
pesquisadores, ele possui uma desvantagem em relação ao método de gotejamento, pois com a
presença de vento, os microaspersores sofrem uma variação em seu raio de água, efeito este,
que pode provocar uma irrigação não uniforme nas mudas. Isto não ocorre no método de
gotejamento, já que este não sofre interferência com o vento.
Ao realizar uma irrigação através do método de gotejamento, deve-se efetivar um
sistema de filtragem de alta eficiência, pois os orifícios da mangueira obstruem-se com
facilidade. Motivo este, que pode inviabilizar este recurso, tendo em vista a relação custo-
benefício.
A partir deste projeto é possível dar continuidade, pois pretende-se estudar um sistema
com conexões remotas via web ou mobile, e reduzir os custos no método de gotejamento, para
que se torne viável sua implantação. Proporcionando assim ainda mais praticidade no manejo
de irrigação. Desta forma, pode-se garantir que este trabalho atende aos alvos estabelecidos
ainda na fase de projeto.
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