CONCEITO DE SOLUÇÃO DE MONITORAMENTO DE CLIMA OPEN SOURCE Tiago José Goulart 1 ; Allan Lincoln Rodrigues Siriani 2 ; Rafael Martino Silva 3 ;

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1 CONCEITO DE SOLUÇÃO DE MONITORAMENTO DE CLIMA OPEN SOURCE Tiago José Goulart 1 ; Allan Lincoln Rodrigues Siriani 2 ; Rafael Martino Silva 3 ; 1 Eng. Eletrônico, Professor Associado, FATEC Shunji Nishimura, Pompeia SP, tiago.goulart@fatec.sp.gov.br 2 Pesquisador Tecnológico, Maquinas Agrícolas Jacto SA - Grupo Jacto, Pompéia SP, allan@nallaworks.com.br 3 Discente, FATEC Shunji Nishimura, Pompeia SP, rafaelmartinosilva@gmail.com RESUMO: As operações agrícolas sofrem interferência dos fatores climáticos causando a necessidade de um sistema de monitoramento e datalogging climático em tempo real. Este trabalho visa realizar uma prova de conceito de solução para esse caso, utilizando controladores open source Arduino com acesso remoto das informações, possibilitando melhor tomada de decisões e por consequência redução no consumo de recursos e danos ao meio ambiente. Foi utilizado um controlador Arduino com sensor de temperatura e umidade e um shield WiFi capaz de transmitir dados sem fio para um servidor on line acessível em qualquer lugar do mundo. O sistema coletou informações por 63 horas ininterruptas provando sua aplicabilidade. Palavras-chave: Estação meteorológica, Arduino, agricultura, open source. CONCEPT OF OPEN SOURCE WEATHER MONITORING SOLUTION ABSTRACT: This study has the objective of purposing a low cost system for monitoring and logging the temperature on the field and execution of proof of concept. The datalogging system aims to assist in decision making into the agricultural operations, therefore reducing resource consumption and environmental damage. An Arduino controller was used, attached to a temperature and humidity sensor and WiFi shield capable of transmitting data wirelessly to an on line server with worldwide access. The system logged data uninterruptly for 63 hours, proving applicability. Keywords: Weather station, Arduino, agriculture, open source. 1

2 INTRODUÇÃO A falta de conhecimento das condições favoráveis para a aplicação de insumos líquidos, principalmente de temperatura e velocidade do vento, contribui fortemente para a perda na qualidade da aplicação. Logo, é importante saber como os operadores avaliam essas condições para definir o começo ou não da aplicação. (SANTOS & MACIEL, 2006) De acordo com ANTUNIASSI et. al.(2014), as grandes mudanças no clima ocorridas durante a pulverização afetam a eficiência da operação devido as paradas por condições climáticas desfavoráveis como baixa umidade, altas temperaturas e ventos. A pulverização deve ser evitada quando a temperatura está abaixo de 10 C ou acima de 35 C, visando a aplicação de agroquímicos entre 20 C e 30ºC. (RUEDELL, 2002) A base fundamental da tecnologia de aplicação de agroquímicos é o processo de separação do liquido em gotas, chamado de pulverização. Dele dependem o potencial de deriva, a perda por escorrimento e a cobertura do alvo. Trata-se de um processo complexo, influenciado por diversos fatores, como o tipo de equipamento de pulverização empregado e as propriedades físico-químicas da calda (CUNHA et al., 2003; BRONIARZ-PRESS et al., 2009). Segundo CUNHA et. al.(2010) um dos fatores de influencia nas propriedades físico-químicas da calda e por consequência na operação é a temperatura da calda. Variações entre 0 ºC a 30 ºC na calda são comuns nas aplicações em campo, dependendo da região e do horário de aplicação. Teoricamente, são esperadas mudanças nas características da calda, porém se desconhece a magnitude e a interação com os componentes da mistura. Além disso, a redução da temperatura da calda pode ser uma estratégia para redução da evaporação, a ser utilizada por fabricantes de pulverizadores com o 2

3 emprego, por exemplo, de tubos de vórtices, que são dispositivos mecânicos simples e de baixo custo utilizados para refrigeração. Isso demonstra a importância de se conhecer o comportamento da calda submetida a diferentes temperaturas. Segundo ORTH & MINETT (1975), os grãos tem sua atividade enzimática aumentada em altas temperaturas, o que causa rápida degradação de muitos inseticidas, principalmente por hidrolise. De acordo com WINTERSTEEN & FOSTER (1992) e HAMACHER et al.(2002), é provável que o veiculo do inseticida se volatilize devido às altas temperaturas do ar durante a aplicação, causando uma baixa na eficácia. Isso se deve ao fato de que quando o veiculo evapora o principio ativo forma uma suspensão de pequenas partículas solidas no ar, que não alcançam a superfície do grão armazenado em silo. De acordo com SCHMUTTERER (1990), os produtos naturais possuem limitada persistência no ambiente, sendo que temperatura, umidade, raios ultravioletas, ph, chuva, entre outros, influenciam negativamente na sua atividade. De acordo com MAYER & POLJAKOFF-MAYBER (1975), é capitalmente importante o conhecimento das condições ótimas para germinação, como temperatura, iluminação, substrato e umidade. Cada espécie reage de maneira diferente ao efeito da temperatura, essa é ligada diretamente ao crescimento ótimo da planta. De acordo com Popinigis (1997) é de fundamental importância o conhecimento das condições ótimas de temperatura, luz, substrato e umidade para germinação. O efeito da temperatura varia com a espécie e encontra-se, de certa forma, relacionado com o crescimento ótimo da planta. A condição fisiológica da semente é que responderá aos efeitos da temperatura. A especificidade para temperatura varia com o grau da maturidade fisiológica e a sanidade da semente. 3

4 Com base no exposto anteriormente este trabalho tem por objetivo construir um sistema de aquisição de dados utilizando-se de ferramentas de baixo custo em que seja possível que uma estação portátil seja instalada em campo e transmita as informações para um servidor remoto disponibilizando-as ao usuário independente da sua localidade. MATERIAL Foram utilizados materiais open source na confecção do experimento. Gacek & Arief (2004) atribuem o termo open source a softwares e plataformas em que o desenvolvimento é baseado na contribuição de vários colaboradores geograficamente dispersos, mas que mantém alguma forma de contato. O principal requerimento para que um projeto seja considerado open source é que seu código fonte esteja disponível para mudanças. ARDUINO O Arduino é uma plataforma que visa a simplicidade e foi construída para promover a interação física entre o ambiente e o computador utilizando dispositivos eletrônicos de forma simples e baseada em softwares e hardwares livres. Resumidamente, a plataforma consiste em uma placa de circuitos com entradas e saídas para um microcontrolador e um ambiente de desenvolvimento. (CAVALCANTE et. al. 2011) O microcontrolador é constituído de um microprocessador, memória e periféricos de entrada/saída e pode ser programado para funções específicas, como, por exemplo, o controle de máquinas e diferentes automações. Existem outras plataformas construídas para microcontroladores, mas o Arduino tem se destacado no cenário mundial pela facilidade de programação, versatilidade e baixo custo. Mesmo para os que desejam interações de alto nível, o Arduino tem atendido às expectativas. (CAVALCANTE et. al. 2011) O Arduino é programado, através de um software livre, em uma linguagem própria e homônima, baseada em C. O mesmo sistema de software livre, criado para o Arduino, também realiza a transmissão de dados para a placa. A linguagem C é uma linguagem genérica que, apesar de ser de alto nível, 4

5 compartilha recursos tanto de alto nível, quanto de baixo nível, pois permite acesso e programação direta de microprocessadores. (SCALISSE et. al. 2013) Figura 1 Arduino Mega 2560 Fonte: Do autor SENSOR DE TEMPERATURA De acordo com CANTÚ(2013), o DHT 11 é composto por um sensor capacitivo de umidade relativa (%UR) e um termistor (ºC). Possui internamente um microcontrolador de 8 bits que facilita sua utilização tratando o sinal de resposta de forma digital. É composto por quatro terminais:o primeiro, da esquerda para direita, para alimentação (Vcc), o segundo para dados, o terceiro não é utilizado e o quarto para o terra (GND). A seguir, algumas especificações: Tensão de alimentação: 3 a 5.5 VDC (5VDC recomendado). Saída do sinal: digital de 1 fio. Faixa de medição: 20-90% RH; 0-50ºC. Precisão: Umidade+-4%RH (Max +-5%RH); Temperatura: +-2ºC. Resolução: Umidade 1%; Temperatura: 0.1ºC. Estabilidade a longo prazo: +-0.5%RH/ano. Todos os sensores deste modelo são compensados em temperatura (variações de temperatura do sistema não afetam seu funcionamento) e calibrados em uma câmara de calibração, o coeficiente de calibração é salvo em memória programável só uma vez.(cantú, 2013) 5

6 Figura 2 Sensor de Temperatura DHT 11 Fonte: Do autor O passo seguinte foi conectar os componentes: o sensor DHT 11 possui 4 pinos, um pino Vcc(5,5V),Data, NC e GND. Os pinos Vcc e GND fazem parte da alimentação de energia e são conectados direto na placa do Arduino, nas entradas com o mesmo nome. O pino Data realiza a transmissão de dados do sensor para a placa e é conectada em uma das entradas analógicas da placa. O pino NC não tem função e não deve ser conectado. Um shield para cartão SD foi conectado na placa para gravar as informações. Figura 3 Shield SD Fonte: Do autor 6

7 WIRELESS O Wireless surgiu a partir de uma necessidade militar, para transmitir informações via rádio sem que o inimigo interceptasse a mensagem ou interferisse na comunicação. A partir do trabalho iniciado na Segunda Guerra Mundial, surgiu um método de modulação muito sofisticado com as características de alta imunidade a ruídos; baixa interferência em outros sistemas; difícil de ser interceptado ou monitorado. Ao final da Guerra Fria essa tecnologia foi liberada para uso civil. (ZEIDIN, 2003) O shield WiFi utiliza um módulo WiFi RN171 e necessita de dois pinos para se conectar no Arduino, oferecendo uma rede wireless b/g ao dispositivo. Ele possui uma antena independente que cobre maiores áreas e transmite sinais mais fortes do que quando está sem esta antena. Possui compatibilidade com os protocolos TCP, UDP e FTP. Utiliza 3 tipos de autenticação para WiFi: WEP-128, WPA-PSK (TKIP) e WPA2-PSK (AES). (LENZI, 2012) Figura 4 Shield WiFi Fonte: Do autor 7

8 MÉTODOS Inicialmente para comprovação do funcionamento da solução foi montado um sistema menor alimentado por baterias e com armazenamento de dados em cartão SD. Figura 5 O datalogger com cartão SD Fonte: Do Autor Após isso para a evolução do projeto foi idealizado um sistema de coleta com o mesmo sensor, mas dessa vez utilizando um transmissor de dados wireless em tempo real para um servidor online. ESQUEMÁTICO Para efeito facilitar o entendimento da execução do trabalho, segue um pequeno esquemático do sistema final montado. 8

9 Figura 6 Esquemático do Sistema Servidor Controlador Transmissor Sem Fio Usuário Sensor de Temperatura e Umidade Fonte: Do Autor A alimentação de energia funciona através de células fotovoltaicas, visando funcionamento continuo. Figura 7 O sistema com transmissão wireless Fonte: Do Autor 9

10 A seguir o código de programação, com os comandos explicados em comentários depois de barras duplas (//): #include <SPI.h> // Biblioteca de interface Serial #include <WiFi.h> // Biblioteca WiFi #include "DHT.h" // Biblioteca sensor de temperatura #define DHTPIN A0 temperatura // Pino em que está conectado o sensor de #define DHTTYPE DHT11 DHT dht(dhtpin, DHTTYPE); // Modelo do sensor char ssid[] = "Fsnt_L"; // Nome da rede char pass[] = " "; // Senha int keyindex = 0; // key Index (Somente em WEP) dados int status = WL_IDLE_STATUS; char server[] = " // Servidor que receberá os WiFiClient client; void setup() { //Iniciar serial e esperar Serial.begin(9600); // verificar presença do transmissor WiFi: if (WiFi.status() == WL_NO_SHIELD) { Serial.println("WiFi shield not present"); // não continuar delay(600); 10

11 // asm volatile (" jmp 0"); } // Conectar a rede sem fio: while (status!= WL_CONNECTED) { Serial.print("Attempting to connect to SSID: "); Serial.println(ssid); // Conectar a rede: status = WiFi.begin(ssid, pass); // Tempo para esperar a conexão: delay(4000); } Serial.println("Connected to WiFi"); printwifistatus(); Serial.println("\nStarting connection to server..."); // Se houver a conexão, exibir no serial. } void loop() { client.flush(); client.stop(); if (client.connect(server, 80)) { Serial.println("connected to server"); float h = dht.readhumidity(); float t = dht.readtemperature(); IPAddress ipa = WiFi.localIP(); // Solicitação HTTP: client.print("get /isensor/dados.php?ip=node01&temp="); client.print(t); 11

12 client.print("&umidade="); client.print(h); client.println(" arduino HTTP/1.1"); client.println("host: client.println("connection: close"); client.println(); } while (client.available()) { char c = client.read(); Serial.write(c); } delay(20000); } void printwifistatus() { // print the SSID of the network you're attached to: Serial.print("SSID: "); Serial.println(WiFi.SSID()); // print your WiFi shield's IP address: IPAddress ip = WiFi.localIP(); Serial.print("IP Address: "); Serial.println(ip); // print the received signal strength: long rssi = WiFi.RSSI(); Serial.print("signal strength (RSSI):"); Serial.print(rssi); Serial.println(" dbm"); 12

13 RESULTADOS De acordo com POLIGANO & DRUMMOND (2001), os objetivos de um teste de conceito são: escolher o conceito mais promissor, ter uma noção do impacto comercial do conceito, indicar quem está mais interessado no conceito e traçar caminhos para o trabalho de desenvolvimento. Para o primeiro teste de conceito foi utilizado o sistema de armazenamento em cartão registrando temperatura e umidade por 63 horas consecutivas dos dias 24 a 26 de maio de 2014, registrando dados a cada 30 minutos. Temperatura ( C) ,0 5,5 11,0 16,5 22,0 27,5 33,0 38,5 44,0 49,5 55,0 60,5 Tempo(h) Umidade Relativa do Ar (%) Umidade Relativa Temperatura Gráfico 1 Dados do Cartão SD Constatou-se que o controlador Arduino era uma plataforma viável para a execução do experimento sendo capaz de realizar a coleta e registro de dados. Foram iniciados os testes com a transmissão de dados sem fio para um servidor PHP com bancos de dados SQL onde as informações eram armazenadas. Com o uso de método get, uma interface de usuário acessível via web exibe ao usuário um gráfico com as informações mais recentes em tempo real. 13

14 Figura 3 Interface de usuário Fonte: Do autor As informações armazenadas no banco de dados SQL podem ser recuperadas em forma de um arquivo de texto, para que assim, a mesma possa ser utilizada para futuras consultas sobre o histórico climático da localidade. 14

15 CONCLUSÃO Esse estudo demonstra a possibilidade da construção de um sistema de datalogging climático de baixo custo, portátil e de simples operação, somente com o uso de tecnologias open source e de baixa complexidade. É possível que mais de um usuário em qualquer lugar do mundo acesse simultaneamente e em tempo real as informações do local da estação, através de computadores, tablets ou celulares. Mas são necessários futuros estudos para a validação do uso dessas ferramentas na agricultura. AGRADECIMENTOS A Fundação Shunji Nishimura, e ao Laboratório de Pesquisas Tecnológicas. 15

16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRONIARZ-PRESS, L. OCHOWIAK, M. WOZIWODZKI, S. The atomization of wateroil emulsions. Exper. Thermal Fluid Sci., v. 33, n. 6, p , CAVALCANTE, M. A; TAVOLARO, C. R. C; MOLISANI, E. Física com Arduino para iniciantes. Rev. Bras. Ensino Fís. vol.33 no.4 São Paulo Out./Dec CUNHA, J. P. A. R.; CARVALHO, W. P. A. Distribuição volumétrica de aplicações aéreas de agrotóxicos utilizando adjuvantes. Eng. Agric., v. 13, n. 2, p , CUNHA, J. P. A. R.; TEIXEIRA, M. M.; FERNANDES, H. C. Avaliação do espectro de gotas de pontas de pulverização hidráulicas utilizando a técnica da difração do raio laser. Eng. Agríc., v. 27, p , (Numero Especial) CUNHA, J. P. A. R. et al. Avaliação de estratégias para redução da deriva de agrotóxico em pulverizações hidráulicas. Planta Daninha, v. 21, n. 2, p , CANTU, D. Sistema Web Para Monitoramento de Sensores de Temperatura e Umidade, 2013 GACEK, C. & ARIEF, B. The Many Meanings of Open Source, IEEE Software, Los Alamitos, v. 21, n. 1, pp , Jan-Fev, HAMACHER, L.S; FARONI, L.R.A; GUEDES, R. N. C; QUEIROZ, M.E.L.R. Persistence and activity towardssitophilus zeamais (Coleoptera: Curculionidae) of pirimiphos-methyl sprayed at different temperatures on maize. J. Stored Prod. Res. 38: , LENZI, F. C. de O. Dispositivo Móvel Controlado por Smartphone com Transmissão de Video em Tempo Real, MAYER, A.C; POLJAKOFF-MAYBER, A. The germination of seeds. 2. ed., London: Pergaman Press, 1975, 192p. ORTH, R.A; MINETT, W. Iodometric analysis and shelf life of malathion in formulations. Pestic. Sci. 6: , POLIGNANO, L. A. C. ; DRUMOND, F. B. O papel da pesquisa de mercado durante o desenvolvimento de produtos. 3o. Congresso Brasileiro de Gestão de Desenvolvimento de Produtos, 2001 POPINIGIS, F. Fisiologia de sementes. Brasília: AGIPLAN, p. RUEDELL, J. Tecnologia de aplicação de defensivos. Plantio Direto, Brasília, DF, v. 19, n. 6, p. 9-11,

17 SANTOS, S. R. dos.; MACIEL, A. J. da S. Proposta metodológica utilizando ferramentas de qualidade na avaliação do processo de pulverização. Engenharia Agrícola, Jaboticabal, v.26, n.2, p , maio/ago SCALISSE, T. B, TANAKA, E. M; GARCIA, L. H. T; SIRIANI, A. L. R; Equipamento Para Mensuração Do Coeficiente de Variação do Espaçamento Entre Plantas da Cultura do Milho(zea mays) 2013 SCHMUTTERER, H. Properties and potential of natural pesticides from the neem tree, Azadirachta indica. Annual Review of Entomology, Palo Alto, v.35, p , STANISLAVSKY, W. M.; ANTUNIASSI, U. R.; CHECHETTO, R. G. Umidificação do fluxo de ar em pulverizador de barras com assistência de ar Engenharia Agrícola v. 34 n. 1 Jaboticabal, SP Jan./Feb WINTERSTEEN W.K; FOSTER, D.E. Degradation of malathion as a function of grain drying systems. J. Econ. Entomol. 85: , ZEIDIN D. C. A, DALFOVO. O, AZAMBUJA, R. A de, DIAS P. R. A Tecnologia do Futuro Wi-Fi (Wireless Fidelity)