CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA FACULDADE DE TECNOLOGIA DE CAMPINAS CURSO DE TECNOLOGIA EM ANÁLISE E DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS

Transcrição

1 CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA FACULDADE DE TECNOLOGIA DE CAMPINAS CURSO DE TECNOLOGIA EM ANÁLISE E DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS GILBERTO MARDEGAM GUILHERME CARVALHO LEONARDO CORRÊA SISTEMA DE IRRIGAÇÃO AUTOMÁTICO OTIMIZADO PARA AMBIENTES DOMÉSTICOS COM ARDUINO CAMPINAS/SP 2017

2 RESUMO Esse projeto, desenvolvido na Fatec Campinas, busca construir um sistema de irrigação automático que leva em conta a umidade do solo, temperatura, e luminosidade para determinar o momento adequado de realizar a irrigação do solo. O sistema tem a base de seu hardware no Arduino e busca a otimização de recursos e economia de água e tempo de trabalho para o usuário. Palavras-chave: Arduino, irrigação, automatização, doméstico

3 Lista de Figuras Figura 1: Arduino Uno. 6 Figura 2: LDR. 7 Figura 3: Módulo Sensor de Umidade do Solo. 7 Figura 4: Sensor de Água. 8 Figura 5: DS18B20. 8 Figura 6: Sensor de Umidade do Solo na Terra. 10 Figura 7: Teste do Sensor de Água 10 Figura 8: Realização do código do primeiro protótipo na FATEC-Campinas. 11 Figura 9: Tabela de Custos. 12 Figura 10: Esquema Elétrico Protótipo Figura 11: Programa Protótipo Figura 12: Programa Otimizado. 13

4 1. Introdução Apesar do notável avanço tecnológico, barateamento e a facilidade de acesso a computadores, sistemas eletrônicos, os sistemas de automação doméstica para pessoas comuns são ainda raridade. Esse projeto tem como objetivo desenvolver um protótipo de um sistema de irrigação automatizado que possa ser aplicado em sistemas domésticos de jardins e que tenha como foco a economia de água e energia, e, principalmente, de tempo para o usuário, dada a necessidade de atividade humana pós instalação ser baixíssima. 1.1 Contextualização Para a compreensão da funcionalidade e justificativa deste projeto, bem como das tecnologias utilizadas no desenvolvimento tanto do hardware quanto do software se faz necessária uma breve contextualização, tanto da condição histórica na qual o projeto é desenvolvido, quanto no contexto do próprio desenvolvimento, no que diz respeito a recursos tecnológicos e conhecimento disponível aos desenvolvedores em questão. Para a contextualização do projeto é importante notar a relativa facilidade de acesso a tecnologias como o Arduino, utilizado no desenvolvimento, e seus componentes, que permitem a noção do desenvolvimento de sistemas com esse tipo de hardware para o ambiente doméstico do usuário padrão.também é importante ressaltar o contexto de surgimento desse projeto, que ocorreu na disciplina Laboratório de Hardware, ministrada ao curso de Análise e Desenvolvimento de Sistemas, na Fatec Campinas. 1.2 Justificativa/Problemática A necessidade e funcionalidade de um sistema de irrigação automatizado de faz clara ao se observar o estado atual de tecnologia disponível e a relativa facilidade de acesso, por exemplo, pode-se comprar um Arduino Uno em uma grande loja como a Usina Info( por menos de R$ 40,00. Contudo, sistemas como o que será

5 desenvolvido são hoje caros e raros, somente sendo utilizados por usuários de nicho ou em grande escala. Também se faz notar a grande utilidade do sistema a ser desenvolvido, dado a economia e otimização de dois importantes recursos. Em primeiro lugar, visto que o sistema de irrigação automática será acionado somente quando houver necessidade( o principal objeto de medida que é utilizado é a umidade do solo.) é notável que será utilizada somente a quantidade realmente necessária de água, sendo assim um projeto sustentável, e uma economia de caráter mais importante é adquirida com a utilização do sistema, sendo essa a economia de tempo e energia humano, dado que com um sistema automático é possível que o usuário se concentre em fazer o que realmente é importante para ele em sua casa, e não se focar em uma atividade mecânica de manutenção. 1.3 Objetivo(s) Os principais objetivos desse trabalho são: Construir uma estrutura de hardware que possa identificar a necessidade de irrigação em um ambiente doméstico com o Arduino como centro de processamento de dados. Compreender as necessidades de irrigação e desenvolver um software que utilize dos dados coletados para decidir a necessidade ou não de irrigação. Desenvolver um sistema que seja simples e com baixo custo para irrigação automatizada.

6 2 Revisão da Literatura Nesse capítulo serão descritos os elementos necessários para a criação do projeto. 2.1 Arduino Uno O Arduino Uno, figura 1, é o componente central de todo o sistema, agindo como a central de processamento e ativação da irrigação do sistema. Segundo o site oficial do Arduino( o Arduino é um board microcontrolador que tem como base o ATmega 328P e tem 14 pinos de input/output. A empresa Arduino já fornece o software necessário para se programar o aparelho. Figura 1: Arduino Uno Fonte: < em 24 abr Sensores Sensores, para fins de sistemas de automação, são dispositivos sensíveis a alguma forma de energia ambiente, por exemplo, energia luminosa, térmica ou cinética. Essa energia é medida em alguma grandeza física, como temperatura, luminosidade, pressão e etc. E a função do sensor é enviar valores de retorno, que representam a mensuração, para a central de controle, nesse caso, o Arduíno Sensor LDR de Luminosidade

7 O Sensor de Luminosidade, figura 2, utilizado é um Light Dependent Resistor( LDR), ou, em português, Resistor Dependente de Luz, que é um dispositivo feito a base de sulfeto de cádmio e que tem a característica de mudar a resistência com base na incidência de luz de modo inversamente proporcional. Tem como valores de retorno a tensão, na faixa de 0,05V à 4V, sendo que quanto mais baixa a tensão menor a incidência de luz. Figura 2: LDR Fonte: < em 24 abr Módulo Sensor de Umidade do Solo O Sensor de Umidade do solo, figura 3, é um sensor que calcula a umidade do solo por meio da medição da corrente entre as sondas que pode ser ajustado à partir do módulo que utiliza um circuito com trimpot, que é essencialmente um potenciômetro em miniatura de alta precisão e ajustável. Figura 3: Módulo Sensor de Umidade do Solo

8 Fonte: < em 24 abr Sensor de Água O Sensor de Água para Arduino que escolhemos utilizar é um sensor que consiste em uma série de fios paralelos expostos que medem o tamanho e a exposição a gotas d'água, além da quantidade exposta, retornado, assim, a quantidade de água presente. Figura 4: Sensor de Água Fonte: < _zoom-600x800.JPG>aces so em 24 abr : DS18B20 - Sensor de Temperatura Digital Dallas O Sensor de Temperatura Digital Dallas será utilizado como ferramenta para mensurar a temperatura do ambiente. O sensor realiza medições de temperaturas de -55C a 125C, e tem resolução de 9 ou 12 bit, além de poder ser utilizado em série com uma mesma saída Arduino. Figura 5: DS18B20

9 Fonte: < >acesso em 24 abr Procedimentos Metodológicos O primeiro passo para o desenvolvimento do Sistema foi o levantamento do das necessidades e a discussão e descrição das etapas necessárias para a realização do mesmo. Foi levantado seu objetivo principal que era o desenvolvimento de um sistema autônomo de irrigação que dependesse o mínimo possível de interferência humana e tivesse a mais longa autonomia possível. Dada a compreensão do objetivo do projeto, foram sistematizadas as etapas necessárias para a realização desse objetivo, sendo elas, respectivamente: a obtenção dos materiais necessários para o projeto, primeiramente os componentes elétricos e seguidamente os objetos de apoio como mangueiras e afins; após a obtenção dos materiais necessários se foi realizado o primeiro protótipo do projeto, utilizado para a obtenção dos valores de retorno e a sistematização do primeiro esquema elétrico, além do primeiro programa, para a realização do sistema. 3.1 Obtenção de Materiais A sistematização dos materiais necessários para o sistema e sua obtenção se deu à partir da compreensão do objetivo do sistema e, portanto, das necessidades de hardware que esse sistema teve. Primeiramente, como unidade de processamento foi selecionado o Arduino, dado a simplicidade de uso do aparelho, a facilidade de se programar para o mesmo, através de software disponibilizado pela própria Arduino e sua mobilidade elevada e tamanho reduzido. Para a automatização do sistema foi observada a necessidade de sensores que pudessem detectar a necessidade e a possibilidade de irrigação, para isso, foram obtidos os sensores Sensor LDR de Luminosidade, Módulo Sensor de Umidade do Solo, Sensor de Água, DS18B20 - Sensor de Temperatura Digital Dallas. A obtenção dos materiais eletrônicos utilizados na elaboração do protótipo foi realizada através do Mercado

10 Livre( ). Quanto aos materiais não eletrônicos, foram utilizados também, terra de jardin comum, 2 caixas de sorvete vazias, mangueira para a condução de água, e água. 3.2 Elaboração do Primeiro Protótipo Após a obtenção dos materiais iniciou-se o desenvolvimento do primeiro protótipo, sendo esse utilizado para o teste dos componentes, a medição dos valores de retorno e a compreensão das seguintes etapas. Para o teste do Arduino foi realizado um teste simples conectando-o a um computador e a um LED e rodando nele um código que tinha como objetivo acender um LED. Em seguida, foi testado o Sensor de Umidade do Solo, que foi realizado através da inserção desse sensor em terra seca, para medir o valor de retorno com baixíssima umidade e em seguida foi-se, gradativamente, adicionado água ao recipiente contendo a terra até que esse estivesse muito úmido. Como pode-se observar na figura 6 e tabela 1. Figura 6: Sensor de umidade do solo na terra Tabela 1:Retorno Umidade Solo Umidade do Solo Valor Médio de Retorno Seco 980 Pouco Umido 690 Muito Umido 450 Foi testado também o sensor de água, utilizado nesse projeto para detectar o nível de água no recipiente, que por sua vez é responsável por permitir a irrigação. Esse teste foi realizado deixando-o fora d agua e medindo o valor de retorno e submergindo-o completamente e realizando novamente a medição, figura 7 e tabela 2; Figura 7: Teste do sensor de água.

11 Tabela 2: Retorno Água Água Valor Médio de Retorno Nenhuma Água 400 Cobertura Parcial 650 Cobertura Total 900 O teste do LDR utilizado foi realizado através da medição dos seus valores de retorno, de hora em hora, por 24 horas, em uma área de exposição total ao sol; o sensor de temperatura teve seus valores de retorno medidos durante 24 horas e comparados aos valores obtidos por termômetros tradicionais, permitindo assim o mapeamento dos resultados e seu uso no sistema de irrigação. Após a realização dos testes como descritos acima, foi sistematizado um esquema elétrico que permitiu a conexão de todos esses sensores ao Arduino, por fim, foi escrito o código que permitiu a automação do sistema. Figura 8: Realização do código do primeiro protótipo na FATEC-Campinas. Nesse primeiro protótipo, não havia sido obtido ainda a bomba d agua, e, portanto, os testes foram realizados com um LED. 3.3 Implementação da Bomba d Água e Refinamento do código

12 A implementação da bomba d água foi realizada após a chegada da mesma e consistiu em poucas mudanças, dada que a bomba comprada pelo grupo tem alimentação de 5 volts de energia e pode, portanto, ser alimentada através do Arduino. Após a implementação da bomba d água o projeto estava funcional e cumprindo sua função básica, contudo, devido ao objetivo do projeto de gerar um sistema autônomo era necessário um refinamento do código para que se otimizasse o consumo de energia, deixando os sensores ligados o menor tempo possível, e ainda assim tivesse funcionalidade similar ao primeiro protótipo. Foi, portanto, escrito um código mais otimizado para o sistema. 4 Resultados cronológica. Nesse capítulo serão discutidos os resultados do desenvolvimento do projeto, em ordem 4.1 Obtenção de Materiais e Custos Os materiais descritos anteriormente, como supracitado, tem seus custos como seguem na tabela a seguir. Figura 9: Tabela de Custos PRODUTO CUSTO UNIDADE UNIDADES FRETE CUSTO TOTAL Arduino Uno R3 + Cabo Usb R$ R$14.90 R$ Ds18b20 Sensor De Temperatura Digital 1 R$ ,00 R$ 6.40 Módulo Sensor Umidade Solo Higrômetro Arduino Pic + Jumper R$ ,00 R$ 9.60 Sensor De Nível E Detecção De Água Arduino Pic R$ ,00 R$ 6.00 Jumper Macho Fios Arduino Protoboard 40 Fios 20cm R$ ,00 R$ Ldr Sensor De Luz 5mm Para Pic Arduino 10pçs R$ R$ R$ 28.5 Mini Bomba D'água Submersa R$ R$ R$ TOTAL R$ Elaboração do Primeiro Protótipo

13 Com a elaboração do primeiro protótipo foram obtidos, primeiramente, os resultados indicando os valores de retorno dos sensores, que são indicados na tabela abaixo. INSERIR TABELA Além dos resultados indicados acima, que indicam os valores de retorno máximo e mínimo de cada sensor, foi realizada uma triagem dessas medidas que permitiu que fossem encontrados valores a serem utilizados na programação do sistema, que indicassem para o sistema o momento de realizar a irrigação. Esses valores, por sua vez, foram implementados no sistema. Após a obtenção dos valores, foi montado o esquema elétrico do primeiro protótipo, indicado na figura a seguir. Figura 10: Esquema elétrico protótipo 1. O código de automação do sistema pertencente ao primeiro protótipo se deu como segue. Esse código, como pode ser observado na imagem abaixo, realiza a leitura dos 4 sensores conectados ao Arduino, e, a partir dos valores encontrados nos testes dos sensores, envia um sinal de ativação para o LED, que representa o motor no processo de irrigação. Figura 11: Programa protótipo 1

14 A elaboração desse protótipo permitiu a observação de avanços a serem feitos em relação, principalmente ao código do sistema de automação, em dois pontos. Primeiramente foi observado que há uma grande necessidade de refinamento dos valores indicados pelos sensores que iniciem o processo de irrigação, dado que os valores foram aproximados através de poucos testes e é necessária grande precisão, em destaque para os sensores de umidade do solo, que determinam a necessidade de irrigação. O segundo ponto notável de performance sub-ótima do projeto é o grande consumo de energia do sistema, que, nesse estado requer os seus sensores todos ativos, tornando, assim, baixa a autonomia do sistema. O segundo protótipo do projeto busca solucionar esses problemas. 4.3 Implementação da Bomba d Água e Otimização do Código A implementação da Bomba d Água se deu de maneira simples e consistiu na substituição do LED usado anteriormente pela bomba. INSERIR FOTO Para a otimização do código foram estruturadas duas estratégias que permitiram a realização do objetivo. Em primeiro lugar, foi decidido pelo grupo que o sensor de água, que realiza a medição do nível de água na caixa d água deveria ficar ligado com mais frequência e somente permitir a medição dos outros caso o nível de água esteja alto, evitando assim o desperdício de recursos. O resultado do código otimizado foi como segue na imagem abaixo.

15 Figura 12: Código Otimizado Referências Bibliográficas Arduino Board Uno. Arduino.cc. Disponivel em:< em 24 Abr Como Funciona um LDR. FritzenLab.Disponível em:< Acessado em 14 Maio 2017 DS18B20 - Sensor de Temperatura Digital Dallas.UsinaInfo.Disponível em:< ml>acessado em 24 Abr SILVEIRA. Bruna D. et al. Desenvolvimento de um protótipo de Luxímetro utilizando como elemento sensor um resistor dependente de luz (LDR). ANAIS DA IX MOSTRA CIENTÍFICA DO CESUCA Sensor de Umidade de Solo para Arduino. UsinaInfo. Disponível em:< Acessado em 24 Abr Trimpot.Wikipedia.Disponível em:< Acessado em 14 Maio Water Sensor Module Users Manual. TaoBao Arduino Store. Disponível

16 em< Acessado em 24 Abr Sensores.Prof. Marcelo Wendling, UNESP Guaratinguetá. Disponível em:< Acessado em 20 Mai. 2017