Comparação entre Sensores de Condutividade do Solo de Baixo Custo e Automatização de Coleta de Dados

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1 Comparação entre Sensores de Condutividade do Solo de Baixo Custo e Automatização de Coleta de Dados 1 Alaine M. Guimarães, 1 Marcos Monteiro Junior, 1 Victor G. Celinski 1 Departamento de Informática Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) Caixa Postal Ponta Grossa PR Brasil {guimaraesalaine, marcos.monteirojr, vgcelinski}@gmail.com Resumo. A busca por alternativas para sensores de condutividade elétrica do solo tem sido uma demanda da Agricultura de Precisão. Este trabalho teve como objetivo comparar dois sensores de condutividade elétrica do solo propostos por Celinski (2008;2011), e automatizar o processo de coleta de dados. Os sensores foram desenvolvidos buscando alternativas simples e econômicas. O estudo mostrou que ambos os sensores possuem uma resposta satisfatória quando comparados as leituras utilizando multímetro e microcontroladores. Os resultados apresentados na avaliação dos sensores demonstraram que o sensor desenvolvido por Celinski (2011), possui uma resposta satisfatoria para o uso com microcontroladores. Abstract. The search for alternatives to soil electrical conductivity sensors has been a demand from Precision Agriculture. This work aims to compare two soil electrical conductivity sensors proposed by Celinski (2008;/2011), and to automate the data collect process. The sensors were developed seeking simple and economic alternatives. The study demonstrated that both sensors have a satisfactory behavior when compared to the readings using multimeters and microcontrollers. The results in evaluation showed that the sensors developed by Celinski (2011), has a satisfactory response for use with microcontrollers. 1. Introdução A Agricultura de Precisão (AP) está cada vez mais presente no meio rural, empregando novas técnicas de manejo e melhoria da produção agrícola. Dentro dessas técnicas está a analise do solo, cujo o objetivo é melhorar a qualidade do solo, deixando-o uniforme em toda área. A análise do solo necessita de uma grande quantidade de amostras para estudo de suas propriedades, posteriormente levadas aos laboratórios e analisadas. Por fim, mapeia-se toda a região, com detalhamento de toda área com suas características próprias (MARCELINO L. R, 2009). Logo, o maior número de amostras levam a uma melhor avaliação da área, e com utilização de GPS (Global Positioning System), permite a geração de mapas de produtividade. A condutividade elétrica (CE) é definida como sendo a habilidade que o solo tem em transmitir corrente elétrica (KITCHEN; SUDDUTH; DRUMMOND, 1996). A CE do solo tem potencial de mensurar uma série de características e propriedades do

2 mesmo, como: o conteúdo de água, o teor de argila e matéria orgânica, e a concentração de íons na solução do solo (CASTRO; MOLIN, 2004), capacidade de troca catiônica e teores de cálcio e magnésio trocáveis (McBRIDE et al., 1990). Leite et al. (2012) avaliaram o efeito de corretivos nos atributos do solo e verificaram que a aplicação do gesso agrícola reduziu a condutividade elétrica e concentração de sódio do solo. Rocha et al. (2011) mostraram o potencial da utilização de um medidor portátil de condutividade elétrica do solo como ferramenta auxiliar na caracterização dos solos. Há sensores destinados a essa tarefa no mercado, porém existem estudos voltados para o aprimoramento, redução de custo e alternativas específicas para cada aplicação. A utilização desses sensores tem como objetivo reduzir o tempo de amostragem, quando comparado com o método tradicional, e tornar viável um número grande de amostras. Na busca por alternativas para sensores de condutividade elétrica do solo, Celinski (2008/2011) propôs a elaboração de dois sensores de baixo custo. Esse sensor permite a verificação da correlação entre as leituras de resistência e capacitância elétrica com atributos físicos e químicos do solo. O presente trabalho apresenta a comparação da leitura da resistência e capacitância do solo, por meio dos dois sensores propostos por Celinski (2008/2011), também compara valores obtidos de suas leituras por multímetros e usando microcontrolador, esse afim de automatizar o processo de armazenamento dos dados. Por fim demonstra o sensor que possuiu o melhor resposta entre o multímetro e o sistema microcontrolado. 2. Materiais e Métodos A coleta das amostras foi realizada em uma gleba da Fazenda Capão da Onça, pertencente à Universidade Estadual de Ponta Grossa, localizada na região dos Campos Gerais, no município de Ponta Grossa, no estado do Paraná, ao todo foram 60 amostras, percorridas linearmente na gleba (Figura 1). A fazenda conta com sistema de plantio direto, com solo predominante do tipo latossolo vermelho distrófico. A temperatura ambiente estava entre 14 e 21 graus Célsius, (durante o decorrer do dia), e a umidade relativa do ar estava entre 20% e 24%. Figura 1. Gleba da Fazenda Capão da Onça. Fonte: Google mapas 2012

3 Para realizar as medidas de resistência elétrica do solo foram utilizados os sensores desenvolvidos por Celinski (2008;2011). O primeiro é composto por uma haste de PVC com terminais em cobre (Figura 2A), o segundo é composto por uma placa de fenolite dupla face em cobre, com uma faixa no centro sem cobre o que torna ambos os lados isolados (Figura 2B). A resistência elétrica foi primeiramente medida com um multímetro analógico Marca F&M, e logo em seguida foi realizada a medida da resistência elétrica com o microcontrolador. Repetiu-se o processo substituindo o sensor de PVC pelo sensor de fenolite. Na Figura 2C observa-se os sensores no solo e os instrumentos de medidas realizando as coletas das amostras sendo que o microcontrolador encontra-se dentro do case (azul). Por fim, foi medida a capacitância de ambos os sensores utilizando o multímetro digital CIE 5175xl. Figura 2. (A) Sensor haste PVC, (B) Sensor fenolite, (C) Análise do solo. Foi usado o microcontrolador (MC) AVR 1280 na plataforma arduino. Para o MC funcionar como ohmímetro, e transformar o sinal analógico em valores de resistência elétrica, utilizou-se um circuito com um resistor no valor de 10KΩ, com funcionamento de PULLDOWN, alimentação de 5V e a saída analógica entre o resistor a ser lido com a resistor de PULLDOWN, e por fim a programação o arduino. Para o desenvolvimento do software empregou-se a ferramenta Arduino IDE alpha 0022, que é de código e uso livre, assim como todas as bibliotecas usadas no desenvolvimento do trabalho. O MC foi ajustado e calibrado para fazer múltiplas medidas via software, totalizando 10 medidas por ponto, com o tempo de meio segundo entre elas. Como resultado, o MC apresenta no visor a média e grava junto a posição e o horário da amostra em um cartão de memória. Para verificar a correlação entre as medições, foi utilizado o coeficiente de correlação de Pearson, que é uma medida do grau de relação linear entre duas variáveis.

4 3. Resultados O MC AVR na plataforma arduino, utilizado no experimento com suas devidas calibrações de hardware e programações de software para trabalhar como ohmímetro, resultou num instrumento simples, de baixo custo e de fácil manuseio para realização das medidas e armazenamento dos dados obtidos pelos sensores. Os dados são apresentados no visor durante a leitura do sensor (Figura 3) e são organizados e salvos em cartão SD no formato CSV (Figura 4). Figura 3. Apresentação da leitura no visor. Figura 4. Apresentação dos dados armazenados no cartão SD. Os resultados das análises de correlação linear de Pearson entre as leituras dos sensores de condutividade elétrica do solo são apresentados no Quadro 1. Quadro 1. Comparação dos resultados das amostras. Comparação Capacitância Sensor PVC, leitura com multímetro X Resistencia sensor PVC, leitura com MC. Capacitância Sensor PVC, leitura com multímetro X Resistência sensor PVC, leitura com multímetro Capacitância Sensor fenolite, leitura com multímetro X Resistência sensor fenolite, leitura com MC Capacitância Sensor fenolite, leitura com multímetro X Resistência sensor fenolite, leitura com multímetro. Resistencia sensor PVC, leitura com MC X Resistência sensor PVC, leitura com multímetro. Resistencia sensor fenolite, leitura com MC X Resistência sensor fenolite, leitura com multímetro Coeficiente de Pearson 28% 30% 74% 71% 88,8% 94%

5 No Gráfico 1 apresenta a correlação dos dados da resistência do solo obtidos pelo sensor de fenolite com as leituras do multímetro analógico e do MC. O Gráfico 2 apresenta a mesma correlação para o sensor de PVC. Ambos os gráficos estão em escala logarítmica de base 10 e a unidade de resistência está em ohms. Gráfico 1. Sensor de Fenolite 4. Conclusão Gráfico 2. Sensor de PVC. Para as condições em que esta pesquisa foi realizada, o MC apresentou capacidade para medir as variações da resistência elétrica do solo, correlacionando-se fortemente com as medidas obtidas pelo ohmímetro analógico de ambos os sensores. O sensor proposto por Celinski (2011), apresentou uma melhor resposta para o uso com microcontrolador, pois a correlação de Pearson para o sensor de fenolite foi de 94% enquanto que para o sensor PVC foi 88,8%.. Portanto, o sensor de fenolite

6 mostrou-se ser o mais adequado para ser usado com o microcontrolador adotado nesse trabalho. Como pesquisa futura, estabelecer as as expressões matemáticas que representam a correlação entre as propriedades elétricas do solo estimadas pelo sensor com os resultados de análise laboratorial das propriedades física e químicas do solo. Referências Castro, C. N.; Molin, J. P. (2004) Definição de unidades de gerenciamento do solo através da sua condutividade elétrica e variáveis físico-químicas utilizando classificação Fuzzy., CONGRESSO BRASILEIRO DE AGRICULTURA DE PRECISÃO, Piracicaba. Anais... Piracicaba: USP/ESALq. Celinski, V, G. (2008) Desenvolvimento de Sensor Elétrico de Contato e Correlações com Atributos do Solo Visando à Agricultura de Precisão, Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho Faculdade de Ciências Agronômicas Campus de Botucatu, Botucatu, SP. Celinski, V. G. (2011) Capacitância elétrica e sua correlação com atributos do solo visando aplicação na agricultura de precisão, Anais do II Simpósio de Geoestatística em Ciências Agrárias, Botucatu. SP. Kitchen, N. R.; Sudduth, K. A.; Drummond, S. T. (1996) Mapping of sand deposition from 1993 midwest floods with electromagnetic induction measurements, Journal of Soil and Water Conservation, v. 51, p Leite, M. J. H.; Santos, R. V.; Gomes, A. D. V.; Vital, A. F. M. O gesso agrícola reduziu o ph, condutividade elétrica e concentração de sódio do solo. Revista Verde, Mossoró, v.7, n.1, p , Marcelino, L.R. (2009) Condutividade elétrica do solo, tópicos e equipamentos, Embrapa Agropecuaria, São Carlos, SP. Mcbride, R.A.; Gordon, A.M.; Shrive, S.C. (1990) Estimating forest soil quality from terrain measurements of apparent electrical conductivity, Soil Science Society of American Journal, Madison,v.54, p Holton, M.; Alexander, S. (1995) Soft Cellular Modeling: A Technique for the Simulation of Non-rigid Materials, Computer Graphics: Developments in Virtual Environments, R. A. Earnshaw and J. A. Vince, England, Academic Press Ltd., p Rocha, M. G.; Nascimento, P. S.; Costa, B. R. S.; Silva, J. A.; Bassoi, L. H.; Rabello, L. M. (2011) Mapeamento da condutividade elétrica aparente do solo com sensor portátil em um argissolo no semiárido. In: XXXIII CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA DO SOLO. Anais... Center Convention, Uberlândia, MG.