IMPLEMENTAÇÃO DE REDE SEM FIO PARA MONITORAMENTO DE GRANDEZAS FÍSICAS

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1 IMPLEMENTAÇÃO DE REDE SEM FIO PARA MONITORAMENTO DE GRANDEZAS FÍSICAS Tiago Trevisani Ganselli Engenharia Elétrica CEATEC Omar Carvalho Branquinho LP-SiRa (Lab. de Pesq. em Sistemas Rádio) CEATEC Resumo: Menegatti, L.A.A. e Molin, J.P. conceituam agricultura de precisão como sendo um conjunto de técnicas e ações de gerenciamento das lavouras levando em consideração a sua variabilidade espacial [4] ou o ato de resolver os problemas da desuniformidade das lavouras [2]. A automatização da gestão das informações e coleta de dados em ambientes agrícolas, muitas vezes feitas manualmente, podem ser substituidas por processos automáticos, o que resultaria em economia de tempo, mão de obra e, conseqüentemente, de custos. Isto direciona este projeto que tem como base a automação de processos através do uso de sensores que operam em rede, transmitindo suas informações para um gateway que por sua vez disponibiliza os dados na Internet para que sejam tabulados e armazenados em um banco de dados. Isso possibilitou a realização de testes envolvendo medidas de temperatura e umidade relativa do ar e do solo, e também medições de luminosidade em ambientes de cultivos internos e externos. Palavras-chave: Redes sem fio, Sensores, Agricultura de precisão. Área do Conhecimento: Ciências Exatas - Engenharia Elétrica - Telecomunicações. 1. INTRODUÇÃO O monitoramento constante de grandezas climáticas como a temperatura, luminosidade e umidade do ar proporciona um melhor controle na aplicação de defensivos agrícolas e adubos, visando menores custos e menor interferência nas condições ambientais. Com o objetivo de facilitar a coleta de informações os sensores criados foram dotados de um módulo rádio-transceptor, tornando a medição um trabalho muito mais rápido, seguro e que pode ser realizado a qualquer hora e sob qualquer condição climática. Com os dados obtidos pelos sensores é possível saber com exatidão quais os cuidados que cada cultivo necessita, existindo até a possibilidade de tratar diferentes áreas do mesmo cultivo de modo diferente para obter um máximo rendimento no produto final. 2. DESENVOLVIMENTO Foram construídos três tipos de sensores cujos aspectos técnicos serão abordados individualmente no decorrer do texto. São eles: Sensor de temperatura Sensor de luminosidade Sensor de umidade no ar Além deles foi também testado e aprimorado um sensor de umidade no solo criado por uma aluna de TCC da Puc-Campinas. Estes sensores foram elaborados contendo três partes distintas, porém dependentes entre si: Uma fonte de energia, um transdutor e um transceptor. Todos os sensores possuem fontes contendo um regulador de tensão de 3.3V ( LP2950CZ-3.3 ), exceto o sensor de umidade no ar, que contém também um regulador de 5V ( LP2950CZ-5.0G ). Os transdutores são os diferenciais de cada sensor, pois são os responsáveis por transformar a grandeza física em analógica, ou seja, em uma tensão relativa. Cada transdutor é abordado especificamente no decorrer do artigo. O transceptor usado também é o mesmo para todos os sensores. Foi escolhido o módulo XBee da MaxStream por ser robusto e de fácil manuseio, além da facilidade de que todos os módulos são compatíveis com qualquer um dos sensores elaborados, tornando fácil e rápida a substituição do mesmo. Esse transceptor trabalha na faixa de frequência de 2.4GHz e suporta inúmeras funções, algumas delas são: Várias taxas de transmissão, opções de economia de energia, fácil obtenção da RSSI (Intensidade de sinal), amostragem em intervalos de tempo programáveis, envio das informações coletadas em um só frame e modo transparente para ser controlado externamente por um microcontrolador funcionando apenas como um rádio transceptor.

2 Para coletar os dados da rede de sensores foi criado um gateway que utiliza um módulo XBee conectado a um módulo ethernet DIGI Connect-ME. Esse circuito obtém as informações provenientes dos sensores através do XBee e as transfere para a Internet para que possam ser acessadas e armazenadas em um computador, palm-top ou até mesmo em um telefone celular. A coleta de todos os dados experimentais foi feita utilizando-se a interface sem fio em conjunto com softwares de desenvolvimento próprio especificamente para este projeto. A linguagem de programação utilizada foi o Python, por ser simples e proporcionar fácil acesso a informações oriundas da porta serial. Além disso há plug-ins que possibilitam a inserção de um código Python na plataforma Java, o que facilita a interação entre o engenheiro e o programador. O código-fonte do software utilizado na maior parte do projeto está listado na partição Anexos Sensor De Temperatura Este sensor tem como objetivo monitorar a temperatura do ar e do solo para que haja o controle das condições sob as quais o cultivo está submetido. Para este experimento foram usados três transdutores: O LM61 da National Semiconductors e dois resistores de valores diferentes que variam com a temperatura, chamados de NTC (Negative Temperature Coeficient, devido ao fato de sua resistência diminuir com o aumento da temperatura). Os circuitos são basicamente os mesmos para os três sensores, sua diferença está no fato de que para o transdutor LM61 a unidade transdutora consiste em alimentar o componente, já para os NTCs foi necessário fazer uso de um divisor de tensão. Os circuitos estão especificados nas Figuras 1 e 2. Figura 1. Sensor de temperatura com NTC. Figura 2. Sensor de temperatura com LM61. A partir dos esquemáticos acima foram montadas placas de circuito impresso. Cada uma delas foi submetida a testes para verificar a curva de comportamento com a variação de temperatura. O sensor que utiliza o LM61 foi usado para calibrar os outros dois, uma vez que a curva de comportamento deste é fornecida pelo fabricante. O teste foi realizado colocando-se os sensores inicialmente em temperatura ambiente em uma caixa preta ao sol e observando a variação de tensão dos NTCs em relação à variação de temperatura do LM61. Uma ilustração do experimento está representada na Figura 3. Figura 3. Calibração dos sensores de temperatura. Após retornarem à temperatura ambiente os sensores foram resfriados em um refrigerador residencial até atingirem aproximadamente 3ºC.

3 Os dados obtidos pelo software nos dois testes estão relacionados na Tabela 1. Tabela 1. Calibração dos sensores de temperatura. Sensor 1 - LM61 (Temperatura ºC) Sensor 2 - AZUL (Tensão) Sensor 3 - MARROM (Tensão) 03,1 2,288 2,178 06,3 2,178 2,091 09,3 2,110 2,037 10,9 2,072 1,920 11,8 2,027 1,895 14,1 1,960 1,863 16,3 1,920 1,814 17,0 1,875 1,792 18,6 1,830 1,746 21,5 1,808 1,795 28,9 1,492 1,498 29,2 1,463 1,469 29,9 1,430 1,456 31,2 1,372 1,437 32,1 1,334 1,398 33,1 1,282 1,379 34,1 1,250 1,353 35,0 1,224 1,334 36,0 1,182 1,308 37,0 1,160 1,276 37,9 1,121 1,244 38,3 1,102 1,231 A partir dos dados obtidos no experimento foi construído um gráfico da variação de tensão versus temperatura para cada um dos sensores. Foram construídas linhas de tendência e, a partir delas, foram obtidas as fórmulas que definem seu comportamento. Tais ações estão representadas no Gráfico y = -28,902x + 70,777 R 2 = 0,9927 Sensor 2 Sensor 3 Tendência Sensor 3 Tendência Sensor 2 y = -37,728x + 85,07 R 2 = 0, ,5 1 1,5 2 2,5 Tensão do transdutor (V) Gráfico 1. Curvas de tendência relativas à temperatura. O gráfico fornece as equações dos dois sensores testados para que possam ser facilmente inseridas em um software de monitoramento Sensor De Luminosidade O objetivo deste sensor é monitorar a incidência de luz em diversos locais do cultivo. A sua importância se dá pois o crescimento das plantas está ligado diretamente à incidência solar que possibilita a realização da fotossíntese. Este sensor tem seu funcionamento baseado no sensor de temperatura, a diferença entre eles é o transdutor utilizado. Do mesmo modo que utilizamos um resistor que varia com a temperatura no primeiro caso, utilizaremos um resistor que varia com a luminosidade para este, o chamado LDR (Light Dependent Resistor). O LDR é utilizado em uma configuração formando um divisor de tensão. O circuito está mostrado na Figura 4.

4 valor recebido pelo software. O resultado deste teste está relacionado na Tabela 2. Figura 4. Sensor de luminosidade com LDR. Os testes foram realizados com o auxílio de um Luxímetro (Aparelho que mede a luminosidade. Sua unidade de medida é o Lux) digital. O sensor foi fixado ao tampo de uma caixa ao lado do luxímetro para que recebessem a mesma quantidade de luz. Dentro da caixa foram colocadas várias lâmpadas conectadas em paralelo e ligadas a uma fonte variável que podia ser controlada externamente de modo a variar a intensidade luminosa. A configuração para esse teste está mostrada na Figura 5. Tabela 2. Calibração do sensor de luminosidade Luxímetro (Lux) Tensão do sensor (Volts) 0 3,296 0,5 3,296 3,9 3, ,251 35,6 3, , , , , , , , , , , , , ,456 A partir da tabela de dados do experimento foi construído o gráfico de Tensão versus Lux que está representado no Gráfico 2. Figura 5. Calibração do sensor de luminosidade. Luminosidade (Lux) Tensão X Luminosidade Tendência y = -2047,8x x x R 2 = 0,9993 A tampa foi colocada na caixa com os sensores para o lado de dentro e as medições foram feitas começando com as lâmpadas apagadas até chegar ao seu máximo de luminosidade. Cada medida foi feita anotando-se o valor gerado pelo luxímetro e o ,5 2 2,5 3 3,5 Tensão (V) Gráfico 2. Curvas de tendência relativas à

5 luminosidade. Se os pontos da tabela fotem distribuídos em um gráfico haverá um momento em que o padrão da curva será quebrado. Isso ocorre pois no experimento a intensidade das lâmpadas era máxima, então a tampa da caixa foi baixada para que ficasse mais próxima da fonte de luz e o experimento foi retomado. Alguns ajustes foram feitos na curva para poder obter-se a linha de tendência. Mesmo com o impasse pode-se dizer que a curva é muito estável e bem definida Sensor De Umidade No Ar O monitoramento da umidade no ar é importante pois está relacionado com a umidade no solo e com a umidade relativa da própria planta em questão. Este sensor utiliza um transdutor comercial (HIH ) e seu fabricante informa no datasheet do componente a fórmula usada para converter a tensão em umidade. O problema de se conectar o transdutor diretamente na entrada ADC do XBee é que ele é alimentado com 5V, e o sinal de entrada do transdutor não pode exceder 3.3V. Isso foi resolvido com o circuito limitador de tensão ilustrado na Figura 6. Tensão (V) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Umidade no ar Linear (Umidade no ar) y = 0,0315x + 0,826 R 2 = Umidade no ar (%RH) Gráfico 3. Curvas de tendência relativas à umidade no ar. A umidade máxima medida pelo sensor é de 80% pois, como pode ser observado no gráfico, essa é a correspondência aproximada da tensão limite imposta. Portanto devem ser feitos aprimoramentos para que o sensor opere com alcance completo. Figura 6. Sensor de umidade no ar com HIH O Gráfico 3 ilustra a curva característica da variação de tensão com relação à umidade relativa do ar Sensor De Umidade No Solo A umidade no solo é um importante fator no monitoramento de uma cultura agrícola. Para corrigir problemas dessa natureza basta controlar a irrigação do plantio. Existe um grande problema quanto à coleta de tais informações pois os sensores devem ser fincados no solo e conectados através de longos cabos a uma central de monitoramento. A solução é transmitir os dados através de uma interface sem fio juntamente com os dados dos outros sensores. Os testes foram feitos com base em um sensor de umidade no solo sem fio desenvolvido pela aluna de TCC Milena Santimara no ano de 2009 pela Puc- Campinas. Esses testes previam melhorar o desempenho do sensor de gesso e capacitá-lo para ser utilizado em condições reais no campo, porém descobriu-se um fator elétrico que refutou a confiabilidade do experimento. Para explicar o problema encontrado será feita uma breve descrição do funcionamento do sensor. O transdutor utilizado é o bloco de gesso. Ele é formado por duas hastes metálicas paralelas dispostas próximas uma da outra e encapsuladas com gesso, obtendo assim o seu característico formato cilíndrico. O princípio de funcionamento do

6 bloco de gesso é a variação da impedância de acordo com a umidade sob a qual é submetido. Para medir a impedância de um elemento é necessário submete-lo a um regime de corrente alternada. No sensor em questão isso foi feito utilizando-se o CI NE555 configurado para gerar uma onda quadrada de 3KHz. Essa onda passa por um potenciômetro para que a sua amplitude possa ser ajustada precisamente (no caso, em 2Vpp) e, em seguida, é introduzida em um amplificador operacional cujo objetivo principal no circuito é fornecer corrente para o divisor resistivo, uma vez que este tem alto consumo. Como dito anteriormente, o sensor varia sua impedância de acordo com a umidade, portanto isso faz com que a amplitude da onda de saída do divisor resistivo varie. O conversor A/D do XBee recebe essa informação diretamente e a transmite para que o computador calcule a diferença de potencial assumindo-se que a referência é 2V. O problema dessa prática é que a tensão de referência só se mantém constante para umidades próximas de zero. Quando há umidade no transdutor o divisor resistivo consome mais corrente do que o amplificador operacional pode fornecer, fazendo com que tensão de referência diminua. Transistores e outros componentes poderiam ter sido utilizados para criar uma fonte de corrente para manter a tensão de referência estável, entretanto foi escolhido um método que envolve menos componentes, fazendo com que o sensor consuma menos energia, tenha um menor custo e tamanho reduzido. O XBee possui seis conversores A/D, possibilitando o envio de mais de uma informação simultaneamente, portanto ambas as tensões foram transmitidas e o software foi o responsável por calcular a diferença entre elas. O último impasse a ser resolvido era como transmitir uma onda quadrada através do transceptor. Para isso foi feito o uso de alguns artifícios explicados a seguir. O módulo XBee possui funções muito úteis. Uma delas é a configuração para múltiplas amostras: Ele pode ser configurado para colher uma informação do transdutor, entrar em modo de baixo consumo de energia (sleep) por algum tempo, acordar, colher uma nova amostra e voltar a dormir, e este ciclo pode se repetir quantas vezes for necessário, até o momento em que ele transmite todas as informações em um único frame, retornando ao início da operação. Utilizando esta função foi possível amostrar a onda e reconstituir a sua amplitude no computador. O XBee coleta aleatoriamente pontos de pico e pontos de vale da onda, esses pontos são reconhecidos pelo software, que faz a média entre eles e calcula a diferença de potencial do sinal de saída, para que possa ser inserida na curva de comportamento do sensor. 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS Este sistema foi desenvolvido visando a agricultura de precisão, entretanto ele pode ser adaptado para outros propósitos, tais como controle ambiental em áreas remotas, controle de processos em empresas, supervisão de serviços à distância, dentre outras atividades que possam ser viabilizadas pela interface sem fio. Os testes realizados em campo mostraram resultados satisfatórios e foram atestados por profissionais da área de Engenharia Agrícola e Elétrica que destacaram como pontos relevantes a facilidade de instalação, operação, manutenção e confiabilidade dos dados obtidos. Duas unidades do produto final do projeto estão ilustradas na Figura 7. Figura 7. Teste dos sensores em condições reais. 4. REFERÊNCIAS [1] Karl, H., Willig, A., (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, 1 st ed., Wiley, USA. [2] Molin, J. P., As múltiplas possibilidades da tecnologia, Revista Esalq/USP, Agosto 2007, Pág [3] Milan, M.; Nesrallah, M.G.T.; Molin, J. P.; Castro, C.N.; Gimenez, L.M., Utilização de dados georreferenciados na determinação de

7 parâmetros de desempenho em colheita mecanizada. USP Jaboticabal, Dez [4] Menegatti, L.A.A.; Molin, J.P.; A cana e a agricultura de precisão. News, Pág [5] Kumar R., Developing wireless soil sensors, Capturado online em 20/08/09 de <http://www.public.iastate.edu/~nscentral/news/2 008/oct/sensors.shtml> 5. ANEXO Código-fonte em linguagem de programação Python que reconhece os valores de cada sensor da rede, salva as informações em arquivos separados e nomeados de acordo com o número do sensor e os exibe na tela. import serial ser=serial.serial(4,9600,timeout=0.1,parity=serial.parity _NONE, rtscts=1) dados = [999, 999, 999, 999, 999, 999, 999, 999, 999, 999] ctrl_1 = 0 ctrl_2 = 0 ctrl_3 = 0 def salva(byte1, byte2, temp, num_sensor): global dados global ctrl_1 ctrl_1 = 0 global ctrl_2 ctrl_2 = 0 i = 0 global ctrl_3 if ctrl_3 == 0: dados[0] = num_sensor ctrl_3 = 1 while True: if dados[i] == 999: break else: if dados[i] == num_sensor: ctrl_1 = 1 i = i+1 if ctrl_1 == 0: dados[i] = num_sensor num_sensor_string = str(num_sensor) arq="c:/python26/scripts/sensor_"+ num_sensor_string +".txt" h = open(arq, "a") temperatura = str(temp) byte1_1 = str(byte1) byte2_2 = str(byte2) h.write(temperatura) h.write(" ") h.write(byte1_1) h.write(" ") h.write(byte2_2) h.write('\n') while True: try: while True: num = ser.read(0) if num == "~": break line = ser.read(14) if len(line) >= 13: byte1 = ord(line[11]) byte2 = ord(line[12]) decimal = byte1 * byte2 tensao = 3.3*decimal/1024 if ord(line[5]) == 1: temp = (float(tensao)*100)-60 if ord(line[5]) == 2: temp = (-float(tensao)*28.902) if ord(line[5]) == 3: temp = (-float(tensao)*37.728) print "Sensor #", ord(line[5]),"temperatura:", temp num_sensor = ord (line[5]) salva(byte1, byte2, temp, num_sensor) except KeyboardInterrupt: #h.close() ser.close()

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