UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA MESTRADO EM COMPUTAÇÃO APLICADA JOÃO ALEXANDRE BATISTA DA CRUZ DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR DE UMIDADE DO SOLO PARA DETERMINAÇÃO DA FRENTE DE MOLHAMENTO PONTA GROSSA 2013 1 JOÃO ALEXANDRE BATISTA DA CRUZ DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR DE UMIDADE DO SOLO PARA DETERMINAÇÃO DA FRENTE DE MOLHAMENTO Projeto de Dissertação apresentado ao Programa de Pós- Graduação em Computação Aplicada, curso de Mestrado em Computação Aplicada da Universidade Estadual de Ponta Grossa, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre. Orientação: Prof. Dr. Ivo Mario Mathias PONTA GROSSA 2013 1 2 3 AGRADECIMENTOS A Deus por sempre estar presente em minha vida. A minha esposa Patrícia, mãe Roseli e irmãos Camila e Hernanipelo amor,carinho e apoio incondicional na compreensão nos momentos de ausência. Aos professores Ivo Mario Mathias e Luis Miguel Schiebelbein pela sincera amizade, orientação e disposição de sempre querer ajudar. 4 RESUMO O conhecimento e controle das propriedades do solono cultivo agrícola, obtidos a partir de sensores em sistema automatizado, ampliam as possibilidades de incremento dos resultados de uma cultura. Este trabalho tem por objetivo desenvolver um sensor de medidas elétricas e de baixo custo, para determinação da umidade do solo; testar e avaliar a correlação entre as leituras e a umidade gravimétrica do solo, considerada padrão para a calibração de outros métodos. Para alcançar o objetivo proposto, buscou-se, em primeiro lugar, o estudo dos principais aspectos relacionados ao processo de interação água-solo-planta e os métodos de determinação existentes. Posteriormente, efetuou-se a confecção de protótipos de sensores em diferentes formatos e geometria. Foi também desenvolvido um sistema de medida e registro que permite a coleta dos dados e armazenamento num cartão de memória. Tendo como princípio o funcionamento dos sensores, o conceito de capacitância, que é obtido pelo efeito do campo elétrico, da carga de duas placas isoladas por um material dielétrico, que neste estudo é o solo com umidade. Assim, quando há variação na constante dielétrica, em função da quantidade de água presente nele, a capacitância do sistema também irá variar.Por fim, realizaram-se os ensaios para avaliar os sensores e circuitos construídos. Os resultados obtidos foram satisfatórios, apresentando coeficiente de determinação de 99,14% para um sensor de placas coplanares não-convencional. Palavras-chave: dielétrico, capacitância, umidade do solo, sensor, arduino. 5 ABSTRACT The knowledge and control of soil properties in agricultural cultivation, obtained from sensors at automated system, extend the possibilities of increasing the results of a culture. This work aims to develop an electrical measure sensor at low cost to determinethe soil moisture, test and evaluate the correlation between the readings and gravimetric soil moisture, considered standard to calibratethe other methods. To achieve the proposed objective, in the first place we sought to study the main aspects of the interaction process water-soil-plant and the existing methods of determination. Subsequently, we performed the fabrication of prototype sensors in different shapes and geometry. We have also developed a measurement and record systemthat enables us to collect the data and to store them in a memory card. Having the operation of the sensors as a beginning, the concept of capacitance is obtained by the effect of the electric field, the charge of two plates insulated by a dielectric material, which, therefore, in this study is the soil moisture. Thus, when there is a variation in the dielectric constant, depending on the amount of water present in it, the capacitance of the system will also vary. Finally, tests were performed to evaluate the sensors and circuitry construction. The results were satisfactory, with a correlation coefficient of 99.14% for a non conventional coplanar plates sensor. Keywords: dielectric, capacitance, soil moisture, sensor, Arduino. 6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Compositção típica do solo .................................................................................. 12 Figura 2 - Água retida por capilaridade entre duas partículas ................................................ 17 Figura 3 - Frente de Molhamento ......................................................................................... 18 Figura 4 - Capacitor de placas paralelas ............................................................................... 22 Figura 5 - Arduino Mega 2560 ............................................................................................. 28 Figura 6 - Sinal PWM .......................................................................................................... 28 Figura 7 - Diagrama de bloco do CI 555 ............................................................................... 29 Figura 8 - Circuito com 555 em montagem astável utilizando capacitor variável .................. 30 Figura 9 - Construção capacitor coplanar cilíndrico com uso de eletrofita ............................ 33 Figura 10 - Primeiro desenho de sensor capacitivo ............................................................... 33 Figura 11 - Diagrama e gráfico de um circuito RC ............................................................... 34 Figura 12 - Sensores construídos a partir das placas de cobre ............................................... 36 Figura 13 - Placa de extensão / Leitura e armazenamento da frequência ............................... 37 Figura 14 - Esquemático da placa ......................................................................................... 38 Figura 15 - Estufa e recipientes utilizados em ensaio no laboratório da fazenda escola ......... 39 Figura 16 - Pesagem recipientes ........................................................................................... 40 Figura 17 - Instalação e teste do sensor ................................................................................ 41 Figura 18 - Amostras no processo de secagem em estufa aerada ........................................... 42 Figura 19 - Sensor de temperatura LM35DZ ........................................................................ 43 Figura 20 - Coleta de dados e comunicação serial ................................................................ 43 Figura 21 - Correlação da frequência apresentada por um sensor de placa paralela e um de placa coplanar ...................................................................................................................... 48 Figura 22 - Correlação da umidade gravimétrica com a frequência no sensor paralelo .......... 49 Figura 23 - Correlação da umidade gravimétrica com a frequência no sensor coplanar ......... 50 Figura 24 - Correlação da umidade gravimétrica com a frequência no sensor coplanar ......... 52 Figura 25 - Comparação do peso em relação a frequência .................................................... 52 7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Permissividade relativa de alguns constituintes do solo........................................ 24 Tabela 2 - Comparativo dos principais microcontroladores disponíveis nos Arduinos .......... 27 Tabela 3 - Pesos dos recipientes ........................................................................................... 40 Tabela 4 - Pesos dos sensores ............................................................................................... 40 Tabela 5 - Configuração dos resistores e capacitores no circuito ........................................... 44 Tabela 6 - Valores estimados da frequência .......................................................................... 45 Tabela 7 - Valores obtidos com a leitura no circuito ............................................................. 46 Tabela 8 - Tabela parcial da frequência obtida entre sensor de placa paralela e coplanar ...... 47 Tabela 9 - Capacitância e resistência em teste de imersão em ar, água e solo seco ................ 48 Tabela 10 - Comparação da umidade gravimétrica em relação aos sensores ......................... 49 Tabela 11 - Dados do monitoramento da frequência e peso da amostra de solo ..................... 50 Tabela 12 - Custo no desenvolvimento do prótotipo ............................................................. 53 8 LISTA DE SIGLAS BNC Conector (Bayonet Neil Concelman) CC Capacidade de campo CI Circuito integrado CSV Valores separados por caracteres (Comma-separated values) Dr Densidade Real FDR Reflectometria no domínio de frequência (frequency domain reflectometry) I2C Circuito Inter-integrado (Inter-Integrated Circuit) Ma Macroporosidade MAPE Erro percentual absoluto médio (Mean absolute percentage error) Mi Microporosidade P Porosidade total PCB Placa de circuito impresso (Printed circuit board) PMP Ponto de murcha permanente PWM Modulação por largura de pulso (Pulse-width modulation) SD Módulo de armazenamento de dados (Storage Data) SIM Módulo de identificação do assinante (Subscriber Identity Module) SPI Interface Serial de Periféricos (Serial Peripheral Interface) TDR Reflectometria no domínio do tempo (Time-domain reflectometer) UFABC Universidade Federal do ABC