Desenvolvimento de um Sistema de Cultivo Hidropônico Automatizado

Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia Engenharia Curso de Graduação em Engenharia Engenharia de Controle e Automação

Desenvolvimento de um Sistema de Cultivo Hidropônico Automatizado

Michel Rodrigo das Chagas Alves

Orientador: Prof. Ricardo de Oliveira Duarte, Dr.

Belo Horizonte, dezembro dezembro de 2015

Monografia

Desenvolvimento de um Sistema de Cultivo Hidropônico Automatizado

Monografia submetida à banca examinadora designada pelo Colegiado Didático do Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação da Universidade Universidade Federal Federal de Minas Gerais, como parte dos requisitos para aprovação na disciplina Projeto Final de Curso II.

Belo Horizonte, dezembro de 2015

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Resumo

A hidroponia, que é uma técnica de cultivo sem solo, tem se mostrado uma solução para uma série de problemas enfrentados pela agricultura. Entre eles podem ser citados a redução da disponibilidade de áreas cultiváveis e de água, além da exigência cada vez maior dos consumidores acerca da qualidade do produto. A hidroponia também é uma solução viável para aqueles que desejam cultivar suas próprias hortaliças ou frutos no ambiente urbano, onde há escassez de espaço. A solução proposta é o desenvolvimento de um sistema de cultivo hidropônico em pequena escala, de baixo custo, que requer o mínimo de intervenção do produtor. Assim, a produção de vegetais será mais independente da disponibilidade e habilidade de pessoas. A solução proposta inclui a estrutura física dos canais e irá a) permitir a produção de 3 a 4 hortaliças por semana; b) demandar o mínimo de intervenção do usuário e; c) ter um sistema de controle embarcado de baixo custo. A primeira fase do desenvolvimento do projeto foi a realização de uma pesquisa bibliográfica sobre o tema, que propiciou um entendimento acerca dos conceitos fundamentais da hidroponia. No texto foi feito um breve resumo histórico da técnica, de suas vantagens e desvantagens e de seus conceitos básicos. A solução nutritiva também foi estudada, assim como uma das técnicas de hidroponia, a NFT. Por fim, foram listados alguns trabalhos realizados que também propunham a automação de sistemas de cultivo hidropônico. A etapa seguinte foi a de coleta e especificação de requisitos, que é imprescindível no desenvolvimento de sistemas embarcados. A partir dos requisitos foi possível projetar a estrutura física e circuito hidráulico, além do hardware e software necessários para satisfazê-los. Uma vez construída a estrutura física e o sistema de controle, passou-se à fase de testes. Eles foram realizados em cada um dos componentes individuais, que depois foram integrados e novamente testados. Analisou-se os resultados obtidos nos testes, bem como o desempenho global do sistema. Finalmente, nas considerações finais, analisou-se o resultado final do projeto. Estes resultados permitem concluir que o Desenvolvimento de um Sistema de Cultivo Hidropônico Automatizado é uma alternativa para o cultivo de hortaliças em pequena escala e que as propostas de automação podem ser aplicadas em diferentes sistemas de hidroponia. Também foram realizadas algumas propostas de continuidade do trabalho.

Abstract

Hydroponics, which is a soilless culture technique has been shown to be a solution to a number of problems faced by agriculture. Among them one can mention the reduction of the availability of arable land and water, as well as growing demand from consumers about product quality. Hydroponics is also a viable solution for those who wish to grow their own vegetables or fruits in the urban environment, where there is shortage of space. The solution proposed is the development of a hydroponic cultivation system on a small scale, low cost, requiring a minimum of intervention by the producer. Thus, the vegetal production will be independent of the availability and ability of people. The proposed solution includes the physical structure of the channels and will a) enable the production of 3-4 vegetables per week; b) require minimal user intervention and; c) have a low cost embedded control system. The first phase of the project development was conducting a literature review on the topic, which provided an understanding of the fundamental concepts of hydroponics. In the text, a brief history summary about the technique, its advantages and disadvantages and its basic concepts was made. The nutrient solution was also studied, as well as one of the hydroponic techniques, NFT. Finally, some production which also proposed the automation of hydroponic growing systems were listed. The next step was the requirements collection and specification, which is essential in the development of embedded systems. From the requirements it was possible to design the physical structure and hydraulic circuit, besides the textit hardware and textit software necessary to satisfy them. Once constructed the physical structure and the control system, it moved on to testing. They were performed on each of the individual components, which were then integrated and tested again. The results obtained in the tests were analyzed, as well as the overall system performance. Finally, in closing remarks, it was analyzed the outcome of the project. These results suggest that the Development of an Automated Cultivation Hydroponic System is an alternative for small-scale cultivation of vegetables and automation proposals can be applied in different hydroponics systems. Some proposals for continuity were also made.

Agradecimentos

A Universidade Federal de Minas Gerais, seu corpo docente, direção e administração que contribuíram em minha formação, dando-me condições de alcançar o horizonte que hoje vislumbro. Ao meu orientador, Professor Ricardo de Oliveira Duarte, pela orientação, apoio e confiança. Aos meus pais, Maria Celeste das Chagas Alves e João Batista Alves, e à minha irmã, Aline Regina das Chagas Alves, pelo amor, incentivo e apoio incondicional. Aos amigos, companheiros das horas difíceis e de alegria, que fizeram parte de minha formação. A todos que direta ou indiretamente fizeram parte dessa trajetória, a minha sincera gratidão.

Sumário Resumo

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Abstract

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Agradecimentos

iii

Lista de Figuras

vii

Lista de Tabelas

ix

1

1

Introdução

1.1 Motivação e Justificativa . . . 1.2 Objetivos do Projeto . . . . . 1.2.1 Objetivo Geral . . . . 1.2.2 Objetivos Específicos . 1.3 Estrutura da Monografia . . . 2

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Revisão Bibliográfica

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Materiais e Métodos

3.1 Desenvolvimento de Sistemas Embarcados . 3.1.1 Coleta e especificação de requisitos 3.2 Arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . 3.2.1 Estrutura Física . . . . . . . . . . . 3.2.2 Circuito Hidráulico . . . . . . . . . 3.2.3 Hardware . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Software . . . . . . . . . . . . . . v

1 2 2 2 2 5

2.1 Hidroponia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Um breve histórico . . . . . . . . . . . 2.1.2 Vantagens e desvantagens . . . . . . . 2.1.3 Alguns conceitos básicos . . . . . . . . 2.1.4 A solução nutritiva . . . . . . . . . . . 2.1.5 Sistema NFT . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6 Sistemas de hidroponia automatizados . 3

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5 5 6 7 10 11 12 13

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13 15 17 17 18 19 27

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SUMÁRIO

Resultados

33

4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Testes Realizados no Laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Testes Realizados em Ambiente Externo . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33 33 36

Discussão dos Resultados

41

5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Resultados dos testes de componentes individuais . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Resultado global do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41 41 44

Conclusões

47

6.1 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Propostas de Continuidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47 48

Anexo A Custos do projeto

51

Anexo B Formulários de coleta de requisitos

53

Anexo C Especificações dos componentes

59

Lista de Figuras 2.1 Componentes do sistema NFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18

Fluxo de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kit de hidroponia caseiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama do circuito hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelo de bomba e válvulas utilizados no sistema. . . . . . . . . . . Montagem e disposição das válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de blocos do Hardware utilizado . . . . . . . . . . . . . . . Plataforma de desenvolvimento Tiva C . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor e relés utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama esquemático do circuito do sensor de condutividade . . . . Etapas de confecção da placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Componentes do conjunto fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . Modem GSM modelo SIM900 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de sensores utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama elétrico do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montagem do controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Máquina de estados finitos que define se é dia ou noite . . . . . . . . Máquina de estados finitos que controla a irrigação . . . . . . . . . . Fluxograma que representa o algoritmo de correção da condutividade

14 17 18 19 20 21 22 22 24 25 25 26 26 27 28 29 29 31

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Vazamentos e conexões utilizadas para eliminá-los . . . . . . . . . . . . . Gráfico do nível do tanque principal versus tempo . . . . . . . . . . . . . Modem GSM modelo SIM800L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desenvolvimento das mudas no sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gráfico da condutividade da solução versus iterações do algoritmo de correção Sistema de hidroponia automatizado em funcionamento . . . . . . . . . . .

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34 35 36 38 39 39

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LISTA DE FIGURAS

Lista de Tabelas 2.1 Concentração média dos elementos essenciais em tecido seco . . . . . . . . 2.2 Relação entre os teores foliares de N, P, Ca, Mg e S com os teores de K considerados adequados para diferentes culturas . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.1 Comparação entre as duas opções de plataformas de baixo custo . . . . . . 3.2 Definição do ciclo de irrigação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21 29

5.1 Resumo da situação dos requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Resumo da situação dos objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45 45

A.1 Tabela dos Principais Custos do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

B.1 Primeiro formulário para a coleta de requisitos . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo 1 Introdução 1.1

Motivação e Justificativa

A hidroponia, que é uma técnica de cultivo sem solo, tem se mostrado uma solução para uma série de problemas enfrentados pela agricultura. Entre eles podem ser citados a redução da disponibilidade de áreas cultiváveis e de água, além da exigência cada vez maior dos consumidores acerca da qualidade do produto. A hidroponia também é uma solução viável para aqueles que desejam cultivar suas próprias hortaliças ou frutos no ambiente urbano, onde há escassez de espaço. Entretanto, graças aos excelentes resultados que se pode obter na hidroponia e a uma serie de vantagens que a técnica apresenta, muitas vezes tem-se a ideia de que sua prática é muito mais fácil do que ela realmente é [Benton Jones Jr, 2014]. A hidroponia exige que o produtor tenha conhecimentos em agronomia, química e eletricidade, entre outros. O problema não é a falta de informação acerca do assunto, já que existem centenas de milhares de websites, livros e artigos, mas saber quais são confiáveis, principalmente entre aqueles disponíveis na internet. Em cultivos de grande porte, é viável investir na automação de todo ou parte do processo, enquanto naqueles de médio e pequeno porte esse investimento é geralmente inviável. O resultado disso é que na maioria dos cultivos de médio e pequeno porte, alguns dos principais fatores determinantes para o sucesso da produção são a habilidade e experiências individuais dos produtores e sua disponibilidade para atender às necessidades do cultivo [Benton Jones Jr, 2014]. A solução proposta é o desenvolvimento de um sistema de cultivo hidropônico, de baixo custo, que requer o mínimo de intervenção do produtor. Assim, a produção de vegetais ficará mais independente da disponibilidade e habilidade de pessoas. A solução proposta inclui a estrutura física dos canais, bem como o sistema embarcado de controle. É importante observar que o foco desse trabalho será sobre o uso de hidroponia em pequena escala, numa casa ou apartamento, embora seu uso em larga escala seja muito promissor, dada a sua grande versatilidade. De fato, "num período de tempo relativamente pequeno, em torno de 65 anos, a hidroponia se adaptou a diversas situações, desde a cul1

2

1 Introdução

tura a céu aberto e dentro de estufas até culturas altamente especializadas em programas espaciais"[Resh, 1998]. A automatização da produção comercial também é vital para sua competitividade. Entretanto, os requisitos para a realização da automação em grande escala são diferentes daquela em pequena escala. No mercado existem algumas soluções para a produção hidropônica em pequena escala, no que se refere à automação. Todavia, ou o grau de automação é pequeno, requerendo a intervenção do usuário com bastante frequência a fim de se obter vegetais de qualidade, ou o custo é alto, desencorajando sua aquisição. A solução a ser desenvolvida deverá apresentar características intermediárias de custo e autonomia.

1.2 1.2.1

Objetivos do Projeto Objetivo Geral

O objetivo do projeto, segundo o que já foi exposto, é o desenvolvimento de um sistema de cultivo hidropônico automatizado que: 1. Permita o produção de 3 a 4 hortaliças por semana; 2. Demande o mínimo de intervenção do usuário; 3. Tenha um sistema de controle embarcado de baixo custo.

1.2.2

Objetivos Específicos

Em termos mais específicos, tem-se os seguintes objetivos: 4. Realize o controle da temperatura, pH e condutividade elétrica da solução nutritiva; 5. Controle o tempo de irrigação das plantas; 6. Avise o usuário quando uma intervenção é necessária; 7. Consiga realizar o controle do sistema mesmo no caso de falta de energia elétrica da concessionária;

1.3

Estrutura da Monografia

O trabalho está dividido em seis capítulos. Este capítulo apresentou uma introdução ao projeto a ser descrito nesta monografia assim como os principais objetivos do mesmo. O capítulo 2 é uma revisão bibliográfica e apresenta os fundamentos acerca de nutrição vegetal e técnicas de hidroponia. Além disso aborda os conceitos envolvidos no desenvolvimento de sistemas embarcados. O capítulo 3 apresenta a metodologia usada durante a execução do projeto, incluindo as etapas de levantamento de requisitos, modelagem do sistema, construção da estrutura física,

1.3 Organização do Trabalho

3

especificação de sensores e atuadores, projeto do controlador, implementação do software e a de integração e testes. O capítulo 4 apresenta os resultados obtidos durante a fase de testes. Já no capítulo 5 é realizada uma análise dos resultados obtidos. Por fim, no capítulo 6 é apresentada a conclusão do trabalho, onde é avaliado se os objetivos foram cumpridos ou não, são indicadas as dificuldades encontradas e as possibilidades de continuidade do projeto.

4

1 Introdução

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 2.1 2.1.1

Hidroponia Um breve histórico

Hidroponia é uma técnica de cultivo sem solo e também pode ser considerada uma ciência, que começou com experimentos datando do século XVII para determinar a composição elementar das plantas. Entretanto, registros históricos mostram que plantas foram cultivadas, sem solo, em misturas de areia e cascalho, muito antes. Tem-se como exemplo os jardins suspensos da Babilônia e os jardins flutuantes dos Astecas no México [Roberto, 2003]. Contudo, a palavra hidroponia só foi usada pela primeira vez por Dr. G. W. Gericke em 1936 para descrever o cultivo de plantas com água e nutrientes dissolvidos. Sua origem etimológica vem do grego hydro, que significa água, e ponos, que significa trabalho. Nesse método de cultivo, as plantas são providas com os nutrientes necessários para seu crescimento por uma solução nutritiva. O primeiro uso comercial significativo não ocorreu até a metade da década de 1960, no Canadá [Silva and Melo, 2003]. Na época, produtores de tomate tiveram grandes prejuízos causados por enfermidades do solo e optaram pelo uso da hidroponia para contornar o problema. Mas foi a partir dos anos 1980 que essa técnica começou a ser usada para produção comercial de flores e vegetais em diversas partes do mundo [Benton Jones Jr, 2014]. No Brasil, a uso da hidroponia começou no início da década 90, em São Paulo. Atualmente vem sendo utilizada com diferentes fins e nas mais diferente regiões. No Nordeste, faz-se a produção de verduras para consumo humano e até mesmo a de forragem animal por pequenos produtores da caatinga. No Norte, devido ao calor e umidade do ar, a produção se dá em estufas climatizadas. Na Região Sul, há a produção de mudas de fumo hidropônicas. No entanto, a Região Sudeste é a campeã em produção, liderada pelo estado de São Paulo1 . 1 Fonte:

Laboratório de Hidroponia da Universidade Federal de Santa Catarina. http − no − brasil . Acesso em 16/12/2015

//www.labhidro.cca.ufsc.br/hidroponia

5

:

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2 Revisão Bibliográfica

2.1.2

Vantagens e desvantagens

A literatura especializada aponta as principais vantagens e desvantagens do uso da hidroponia.

Vantagens •

Produção de maior qualidade, uma vez que as plantas crescem em ambiente controlado, livre de efeitos climáticos. Isso também faz com que o cultivo seja independente da época do ano, reduzindo assim os efeitos da sazonalidade;

•

Trabalho mais leve e limpo, já que o cultivo é feito longe do solo e não são necessárias operações como aração, gradagem, coveamento e capina;

•

Menor quantidade de mão de obra, uma vez que diversas práticas agrícolas não são necessárias e outras, como adubação e irrigação, são automatizadas;

•

Não é necessário a realização da rotação de cultura: como a hidroponia se cultiva em meio limpo, pode-se explorar sempre, a mesma espécie vegetal;

•

Alta produtividade e colheita precoce. Como se fornece às plantas boas condições para seu desenvolvimento, não ocorre competição por nutrientes e água e, além disso, as raízes nessas condições de cultivam não empregam demasiada para crescer. Assim, o ponto de colheita é antecipado, aumentando a produtividade;

•

Menor uso de agrotóxicos. Como o solo não é empregado, os insetos, microrganismos, nematoides e plantas daninhas não atacam, reduzindo a quantidade de defensivos utilizada;

•

Uso racional de água e nutrientes, já que os insumos são fornecidos segundo as necessidades das plantas;

•

Melhor possibilidade de colocação do produto no mercado. Por ser um produto de melhor qualidade, aparência e maior tamanho em relação ao convencional, torna-se diferenciado, agregando a ele maior preço e comercialização mais fácil;

•

Maior tempo de prateleira, pois os produtos hidropônicos são colhidos com raiz. Isso faz com que tenham durabilidade maior em relação aos produtos convencionais;

•

O cultivo pode ser realizado em qualquer local, pois independe da existência de solo cultivável. Assim pode ser implantado mais perto do mercado consumidor;

•

O sistema hidropônico pode ser adaptado para casas e apartamentos. Isso porque o sistema é limpo, leve e compacto.

7

2.1 Hidroponia Desvantagens •

Os custos iniciais são elevados em relação ao cultivo tradicional, devido à necessidade de construção de estufas, mesas, bancadas e sistemas hidráulicos e elétricos;

•

Dependência de energia elétrica;

•

Necessidade de conhecimentos técnicos em eletricidade, química e fisiologia vegetal;

•

No caso de contaminação da solução nutritiva, rapidamente toda a produção é atingida;

•

O balanço inadequado da solução nutritiva e sua posterior utilização podem causar sérios problemas às plantas. A reação das plantas à solução desbalanceada acontece muito rapidamente. Dessa forma, o cultivo deve ser monitorado diariamente.

2.1.3

Alguns conceitos básicos

Nutrição Vegetal

O principal processo metabológico de uma planta é a fotossíntese. Esse processo consiste na conversão, na presença de clorofila e luz, de energia luminosa em química. A reação é representada pela Equação 2.1: na presença de luz e clorofila

6 CO2 + 6 H2 O −−−−−−−−−−−−−−→ C6 H12O6 + 6 O2

(2.1)

A molécula de água, absorvida pelas raízes, é quebrada e o hidrogênio é combinando com o dióxido de carbono absorvido através dos estômatos 2 . No processo o gás oxigênio é liberado. A taxa com que a fotossíntese ocorre depende de fatores externos à planta, entre eles a temperatura do ar, movimento do ar sobre as folhas, nível de gás carbônico no ambiente, a intensidade da luz e seu espectro de comprimento de onda e a quantidade de água na planta [Roberto, 2003]. Além da fotossíntese, vários outros processos metabológicos ocorrem nas plantas e, para que desenvolvam-se plenamente, precisam ter acesso a um total de 16 elementos químicos. Na ausência de qualquer um deles, elas exibem anomalias de crescimento ou sintomas de deficiência. São chamados de elementos ou nutrientes essenciais e são totalmente de natureza inorgânica [Raven et al., 1996]. São eles: carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O), enxofre (S), nitrogênio (N), fósforo (P), potássio (K), cálcio (Ca), magnésio (Mg), boro (B), cloro (Cl), cobre (Cu), ferro (Fe), manganês (Mn), molibdênio (Mo) e zinco (Zn). Entretanto, a concentração em que esses elementos são encontrados nas plantas varia de espécie para espécie, mas podem ser divididos em dois grandes grupos: macronutrientes são elementos necessários em grandes quantidades - e micronutrientes - são aqueles necessários em pequena quantidade. A Tabela 2.1 mostra como os elementos estão agrupados 2 Segundo

o dicionário Michaelis da Língua Portuguesa, estômato é cada um dos poros microscópicos que encontram-se isolados ou em grupos na epiderme dos vegetais, através dos quais ocorre a troca gasosa entre a atmosfera e os espaços intercelulares dentro do vegetal.

8

2 Revisão Bibliográfica

assim como suas concentrações médias encontradas em tecido seco de plantas. Já a Tabela 2.2 mostra as proporções entre a concentração de potássio e outros elementos para diferentes culturas. Tabela 2.1: Concentração média dos elementos essenciais em tecido seco Elemento

ppm

%

Macronutrientes

Carbono 450000 Oxigênio 450000 Hidrogênio 60000 Nitrogênio 15000 Potássio 10000 Cálcio 5000 Magnésio 2000 Fósforo 2000 Enxofre 1000

45 45 6 1,5 1 0,5 0,2 0,2 0,1

Micronutrientes

Cloro 100 0,01 Ferro 100 0,01 Manganês 50 0,005 Boro 20 0,002 Zinco 20 0,002 Cobre 6 0,0006 Molibdênio 0,1 0,00001 Fonte: Ames, M. and Johnson, W.S., 1986, em Proceedings of the 7th Annual Conference on Hydroponics: The Evolving Art, the Evolving Science, Hydroponic Society of America, Concord, CA.

O papel principal e secundário dos elementos essenciais são bem conhecidos. Alguns, como nitrogênio e enxofre, são constituintes de compostos das plantas, como proteínas. Outros, sendo eles o potássio, magnésio, cobre, molibdênio e zinco, atuam como ativadores de enzimas. O fósforo e o ferro estão envolvidos em reações de transferência de energia e, juntamente com o magnésio, estão relacionados com a fotossíntese. O potássio também funciona como regulador osmótico. Na hidroponia os macro e micro nutrientes são fornecidos às plantas através de uma solução nutritiva, na qual diversas substâncias que contêm os elementos essenciais são dissolvidas em água. A solução é então colocada em contato com as raízes das plantas. A absorção dos nutrientes é geralmente proporcional à sua concentração na solução próxima às raízes sendo muito influenciada pelos fatores do ambiente, tais como: salinidade, oxigenação, temperatura, pH da solução, intensidade da luz, fotoperíodo, temperatura e umidade do ar [Furlani et al., 2009a].

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2.1 Hidroponia

Tabela 2.2: Relação entre os teores foliares de N, P, Ca, Mg e S com os teores de K considerados adequados para diferentes culturas Hortaliças K N P Ca Mg Agrião 1,00 0,83 0,17 0,25 0,07 Alface 1,00 0,62 0,09 0,31 0,08 Almeirão 1,00 0,65 0,11 0,12 0,03 Cebolinha 1,00 0,75 0,08 0,50 0,10 Chicória 1,00 0,82 0,11 0,36 0,07 Couve 1,00 1,20 0,16 0,62 0,14 Espinafre 1,00 1,00 0,11 0,78 0,18 Repolho 1,00 1,00 0,15 0,63 0,15 Rúcula 1,00 0,78 0,09 0,84 0,07 Salsa 1,00 1,14 0,17 0,43 0,11 Adaptado de [Furlani et al., 2009a]

S 0,05 0,03 0,16 0,20 0,13 -

As raízes das plantas

As raízes das plantas tem três funções principais: •

Absorção de água e nutrientes, na forma de íons, que serão usados pela planta;

•

Armazenamento de substância produzidas pela planta;

•

Proporcionar sustentação física para a planta.

A temperatura das raízes é um fator que influencia em seu crescimento, assim como na absorção de água e dos elementos essenciais. A temperatura ótima varia com a espécie de planta, mas em geral, valores abaixo de 20 C começam a alterar o comportamento das raízes. À medida que a temperatura diminui a absorção de água e íons é também diminuída, assim como a permeabilidade das membranas celulares. Por outro lado, a máxima temperatura que pode ser tolerada pelas raízes não é claramente conhecida, mas sabe-se que elas ainda são totalmente funcionais a 30 C . De modo geral, para evitar os efeitos de baixas e altas temperaturas, as raízes e o meio onde está inserida deve 20 C e 30 C [Benton Jones Jr, 2014]. ◦

◦

◦

◦

Aeração também é um fator importante que influencia o crescimento tanto das raízes como das folhas. O oxigênio é necessário para o processo de respiração, no qual é gerada a energia necessária para o crescimento das raízes. Sem oxigênio, a absorção de água e nutrientes cessa e a raiz morre. À medida que a água é absorvida pela raízes, as substâncias dissolvidas também são trazidas para dentro da planta, através de um sistema que seleciona quais íons passam e quais são barrados. Esse processo acontece de maneira passiva e ativa. Uma das características desse processo é que ele apresenta competição entre diferentes íons, ou seja, alguns são mais absorvidos em detrimento de outros. A taxa de absorção dos íons também é diferente para cada um.

10

2 Revis Revisão ão Biblio Bibliográ gráfica fica

O resultado disso é que se a concentração dos nutrientes não estiver bem balanceada, o desenvolvimento da planta será prejudicado, pois absorverá mais alguns íons do que outros. Assim, a solução nutritiva nutritiva deve inicialmente inicialmente estar propriamente propriamente e cuidadosamente cuidadosamente balanceada, lanceada, bem como durante sua utilização. utilização. Na prática, para saber-se saber-se a concentração concentração da solução, é medida a condutividade elétrica da mesma, que é proporcional à quantidade de íons dissolvidos. dissolvidos. Em geral, a condutividade condutividade deve deve estar dentro da faixa de 1, 1, 5 a 3, 3 , 5mS/cm [Furlani et al., 2009b]. 2009b]. Muitas raízes de plantas podem alterar o ambiente ao seu redor. A alteração mais comum é redução do pH pela emissão de íons de hidrogênio. hidrogênio. O pH influencia no comportamento comportamento de certos elementos e o seu controle permite permite que as plantas alimentem-se alimentem-se corretamente evitando deficiências. deficiências. Alguns elementos elementos não se dissolvem dissolvem e precipitam-se precipitam-se se o pH não estiver em níveis adequados. A faixa ideal de trabalho é de 5,5 a 6,5 [Carrijo [Carrijo and Makishima, 2000]. 2000].

2.1.4 2.1.4

A soluçã solução o nutri nutritiv tiva a

A composição ideal de uma solução nutritiva depende não somente das concentrações dos nutrientes, mas também de outros fatores ligados ao cultivo, incluindo-se o tipo de sistema hidropônico, os fatores do ambiente, a época do ano, o estágio fenológico3 , a espécie vegetal e a cultivar4 em produção. No entanto diversas formulações para a solução nutritiva já foram propostas na literatura, mas todas apresentaram bons resultados [Benton [Benton Jones Jr, 1982]. 1982]. Pod Pode-s e-see dizer dizer que não existe uma formulação que seja única e melhor que as outras [Furlani [Furlani et al., 2009a]. 2009a]. Diferentemente do que ocorre no solo, a solução nutritiva apresenta grandes variações da concentração concentração de seus nutrientes, à medida que as plantas os absorvem. Primeirament Primeiramentee porque a relação entre volume de solução e o de raízes é muito menor em relação às condições do solo e a reposição de nutrientes não acontece de maneira natural. A reposição desses nutrientes, nutrientes, sem afetar o balanço entre as concentrações, concentrações, mostra-se um dos maiores desafios desafios dos produtores hidropônicos [Furlani [Furlani et al., 2009a]. 2009a]. Diversas formas de reposição de nutrientes são encontradas na literatura, embora a mais comum, por sua praticidade, seja a de controle da concentração salina da solução nutritiva. Essa grandeza pode ser medida por um condutivímetro. Entretanto, a leitura fornecida por esse aparelho não discrimina os nutrientes, e a reposição incorreta pode ocasionar desequilíbrios nutricionais. Uma solução é adicionar soluções de ajuste com composições químicas que apresentam uma relação entre os nutrientes semelhante à extraída pela planta cultivada. Resumidamente, o manejo da solução nutritiva pode ser dividido em três etapas distintas 3 Segundo

o dicionário Michaelis da Língua Portuguesa, a fenologia é o ramo da ciência que se ocupa com as relações entre clima e fenômenos biológicos periódicos. 4 Segundo o dicionário Michaelis de Língua Portuguesa, é a forma cultivada de alguma espécie, correspondente a mutação, mutação, ou recombinação, recombinação, ou a determinada determinada linhagem com características características próprias próprias de produção, produção, de resistência a pragas e moléstias, com flores de coloração diversa, entre outros.

11

2.1 Hidrop Hidroponi onia a [Silva and Melo, 2003]: 2003]:

1. Diariamente, logo pela manhã, completar o volume do reservatório com água e homogeneizar a solução; 2. Realizar a medição de pH e fazer sua correção caso seja necessário. Para tal deve-se acrescentar pequenas quantidades de ácido ou base à solução; 3. Realizar a medição da condutividade elétrica e corrigi-la com a adição de nutrientes nas proporções corretas. Além disso, a temperatura e oxigenação da solução devem ser monitoradas o tempo todo.

2.1. 2.1.5 5

Sist Sistem ema a NFT NFT

Uma das técnicas de cultivo hidropônico é conhecida como NFT - Nutrient Film Tesistema as plantas crescem com suas raízes dentro de canais ou canaletas canaletas chnique. Nesse sistema impermeáveis através dos quais circulam a solução nutritiva. O sistema é composto por um reservatório reservatório de solução nutritiva, nutritiva, bomba e sistema de distribuição distribuição da solução. A Figura 2.1 Figura 2.1 mostra os elementos básicos de um sistema NFT.

Figura 2.1: Componentes do sistema NFT Fonte:www.hydor.eng.br5

Os componentes que ficam em contato direto com a solução nutritiva devem ser feitos de materiais inertes, como o polietileno não reciclado ou o cloreto de polivinila (PVC). Isso evita a contaminação da solução e, consequentemente, das plantas por substâncias nocivas à saúde humana. O reservatório reservatório deve ficar em local sombreado, para evitar a ação dos raios solares, além de ser vedado para evitar a formação de alga e a entrada de insetos. Seu tamanho depende do número e espécie das plantas que serão cultivadas. cultivadas. O limite mínimo, para plantas de médio porte (entre elas a alface, salsa e cebolinha), é de 0, 0, 5 L/planta [Furlani [Furlani et al., 2009b]. 2009b]. A bomba deve ser dimensionada de acordo com o número de canais que serão irrigados. É recomendada uma vazão de solução nutritiva nos canais de cultivo de 0, 0 , 5 a 1, 0 e 1, 1 , 5 a 5 Fonte: http://www.hydor.eng.br/PAGINAS-P/P11-P.html.

Acesso em 06 de maio de 2015.

12

2 Revis Revisão ão Biblio Bibliográ gráfica fica

2, 0 L/min para mudas e plantas de ciclo curto, respectivam respectivamente. ente. Não há um dependêndependên-

cia significativa entre a vazão e a produtividade [Junior [Junior et al., 2008]. 2008]. A Equação 2.2 Equação 2.2 mostra mostra como obter a vazão da bomba. No entanto, entanto, a bomba bomba não precisa precisa ficar ligada ligada 24 horas horas por dia. dia. Geralme Geralmente, nte, a bomba bomba permanece funcionando por um período de tempo e, então, é mantida desligada pelo mesmo período. período. Esse períod períodoo pode ser de 10, 15 ou 20 minutos minutos.. Durante Durante a noite pode-s pode-see fazer irrigações de 15 minutos espaçadas de 1,5 a 2 horas. Vazão da bomba(m3 h 1 ) = 0, 09 × Número de canais × Vazão por canal(Lmin 1 canal 1 ) (2.2) −

−

−

Os canais são instalados em bancadas ou mesas de cultivo. Podem ser feitos de diversos materiais, como tubos de esgoto ou irrigação de PVC ou de mesmo de tubos de polipropileno. Esses últimos tem formato semicircular, facilitando a fixação. As bancadas têm uma pequena inclinação, inclinação, permitindo assim que a solução retorne para o reservatório reservatório por ação da gravidade.

2.1.6

Sistemas Sistemas de hidropon hidroponia ia automatiz automatizados ados

É conhecido que seres humanos estão sujeitos ao cansaço e à distração durante a realização de qualquer atividade, bem como não terem a capacidade de realizar determinada ação exatamente exatamente do mesmo modo. Por outro lado, um sistema de controle não sofre esse tipo de influên infl uênci ciaa e assim assim não não causa causa preju prejuízo ízo à homo homoge genei neidad dadee da produ produção ção [Domingues et al., 2012]. 2012]. Várias propostas propostas de automação automação para sistemas de hidroponia já foram apresentadas. apresentadas. Já realizou-se o desenvolvimento de um sistema de controle de nível e pH da solução nutritiva [Asumadu [Asumadu et al., 1996]. 1996]. Outros trabalhos trabalhos descrevem descrevem o desenvolvi desenvolvimento mento de um sistema de controle de condutividade e pH da solução nutritiva usando diferentes algoritmos [Domingues et al., 2012, 2012, Phutthisathian et al., 2011, 2011, M and Sridevi, 2014]. 2014]. Já discor discorreureu-se se sobre o desenvolvimento de sensores de pH e condutividade elétrica aplicados à hidroponia [Velazquez et al., 2013]. 2013]. Apesar de todo o desenvolvim desenvolvimento ento já realizado, uma característica característica em comum aos trabalhos citados é que o controle controle da solução nutritiva nutritiva é realizado realizado por interintermédio de um computador, reduzindo assim a flexibilidade quanto ao local de instalação e aumentando consideravelmente os custos do projeto. Um sistema de controle baseado em controladores lógicos programáveis já foi proposto, onde apenas o tempo de irrigação, a homogeneização da solução e a iluminação artificial são controlados [T [Tachikawa, 2008 2008]. ]. Um sistema de controle embarcado de pH e nível da solução já foi proposto, no entanto aplicado aplic ado à outra técnica de hidroponia [Saaid et al., 2013]. 2013].

Capítulo 3 Materiais e Métodos 3.1

Desenvolvimento de Sistemas Embarcados

O metodologia de desenvolvimento de sistemas embarcados é diferente daquela usada em desenvolvimento de software, já que aqueles apresentam certas particularidades. Entre elas podem ser citadas a grande variedade de elementos de hardware disponíveis, as dimensões físicas do sistema, assim como seu consumo. No entanto, todo projeto de sistema embarcado apresenta alguns elementos em comum: •

Processo para o desenvolvimento de sistemas;

•

Fluxo de projeto;

•

Modelos;

•

Ferramentas;

•

Linguagens;

•

Técnicas;

•

Componentes.

O primeiro item define a dinâmica de desenvolvimento do sistema. Existem vários modelos diferentes e a escolha depende das características do sistema a ser desenvolvido. Os modelos mais comuns são: •

Modelo diagrama em V;

•

Modelo TTDSE - Traditional, Top-Down Systems Engineering ;

•

Modelo cascata;

•

Modelo espiral. 13

14

CAPÍTULO 3. MATERIAIS E MÉTODOS

Existem também os modelos híbridos, que combinam características de dois ou mais modelos. Um deles é o modelo de desenvolvimento incremental ou iterativo. A ideia principal deste modelo de desenvolvimento é a de que um sistema deve ser desenvolvido de forma incremental, sendo que cada incremento vai adicionando ao sistema novas capacidades funcionais, até a obtenção do sistema final. Além disso, a cada passo realizado, novas modificações podem ser introduzidas [Prates, 2012]. Uma vantagem desta abordagem é a facilidade em testar o sistema, uma vez que a realização de testes em cada nível de desenvolvimento é mais fácil do que testar o sistema final. O importante é que mesmo sendo a implementação por funcionalidade, a arquitetura global deve estar pronta antes da construção do primeiro módulo. Contudo, este tipo de desenvolvimento também traz desvantagens para os desenvolvedores. Em geral, é difícil definir o tamanho exato de cada incremento e torna-se difícil prever a independência dos módulos do sistema. Devido às características do sistema de hidroponia e, pela falta de experiência ao lidar com processos desse tipo, optou-se por utilizar o modelo de desenvolvimento incremental. O fluxo de projeto define a sequência de etapas que serão seguidas no desenvolvimento do mesmo. Cada etapa depende estritamente das etapas anteriores e só se passa a uma etapa subsequente se a etapa anterior for completamente executada. A Figura 3.1 mostra, de uma maneira geral, o fluxo de projeto adotado. É importante ressaltar que, como o modelo de desenvolvimento é o incremental, nem todos as etapas do fluxo de projeto são possíveis de serem executadas a cada iteração.

Figura 3.1: Fluxo de projeto

3.1 Desenvolvimento de Sistemas Embarcados

3.1.1

15

Coleta e especificação de requisitos

Nos sistemas embarcados o software tem uma ligação íntima com o hardware onde irá operar. A partir da especificação completa do sistema é que será possível definir o projeto de hardware e software. Algumas funcionalidades podem ser realizadas em hardware ou software e essa decisão afeta diretamente o custo e o desempenho [Ball, 2002]. O produto dessa etapa é o documento de requisitos. Ele deve descrever tudo que o sistema deve fazer, assim como o que não deve fazer, além das restrições que deve atender. Os requisitos devem ser consistentes, precisos, mensuráveis e rastreáveis. Erros decorrentes de requisitos incorretos ou mal compreendidos são os mais caros e difíceis de corrigir [Buede, 2009]. Os requisitos que devem ser atendidos pelo hardware devem ser totalmente conhecidos e compreendidos no início do desenvolvimento, os requisitos de software podem seguir uma característica evolutiva. Os requisitos podem ser agrupados em três grupos: •

Funcionais: são funções, comportamentos ou características que devem ser providas pelo sistema. Podem ser realizados por hardware ou software;

•

Não funcionais: são atributos do sistema como um todo. Desempenho, segurança, usabilidade, entre outros;

•

Restrições: são limitações impostas ao sistema.

Existem vários modelos para a confecção do documento de requisitos e a escolha de qual usar depende da aplicação. Isso porque os modelos dão ênfase a diferentes áreas, como engenharia de software, sistemas de comunicação, sistemas embarcados, entre outros [of ITU, 1999] [Martins et al., 2010] [IEEE, 1984]. Para se obter as informações necessárias para preencher o documento, existem várias técnicas, tais como entrevistas com questões abertas e/ou fechadas, formulários ou questionários, análise de documentos, observação de trabalhadores e/ou usuários do sistema, além de outras. No caso deste trabalho optou-se pela utilização de questionários preenchidos pelo usuário final do sistema e por uma pessoa com experiência na área de cultivos hidropônicos. Os questionários podem ser vistos no Anexo B. Além disso, alguns dos requisitos foram extraídos da literatura. A coleta e análise dos requisitos permitiu agrupar a maior parte deles em duas grandes categorias. São elas: •

Requisitos relativos à estrutura física do sistema de hidroponia;

•

Requisitos relativos ao hardware e software necessário para a realização do controle e automação do sistema, garantindo que as condições para o desenvolvimento da planta sejam as melhores possíveis. Estão incluídos os sensores, atuadores e o controlador do sistema.

16


Estrutura física

Como a montagem do hardware e, consequentemente, a implementação do software são dependentes da estrutura física, escolheu-se projetá-la e montá-la primeiro. A estrutura deve atender a uma série de requisitos: 1. O sistema deverá suportar o crescimento de no mínimo 25 plantas, simultaneamente; 2. As dimensões máximas do sistema deverão ser de 1, 20 m x 1, 20 m x 2, 0 m , para a largura, comprimento e altura, respectivamente; 3. O sistema, quando não funcionando, deve ser transportável; 4. O sistema deve ter uma cobertura para que não receba água da chuva e que seja translúcida de maneira a não prejudicar o desenvolvimento das plantas; 5. O sistema não poderá ter nenhum vazamento em seu circuito hidráulico; 6. Toda a superfície de contato com a solução nutritiva deverá ser de material inerte em relação à mesma, como o PVC e o polipropileno; 7. O material utilizado para a sustentação dos canais devem ser resistentes às intempéries; 8. O reservatório deve ter capacidade para armazenar 1 L de solução nutritiva para cada planta; 9. A solução nutritiva deve ficar sempre homogênea; 10. A tubulação por onde circula a solução nutritiva deve ser opaca e não pode receber incidência direta da luz solar; 11. A solução nutritiva deve ser totalmente renovada a cada 90 dias. Hardware e Software

12. A temperatura da solução nutritiva deve estar entre 20 C e 30 C ; ◦

◦

13. O pH da solução nutritiva deve estar entre 5, 5 e 6, 5; 14. A condutividade elétrica da solução nutritiva deve estar entre 1, 0 mS e 2, 0 mS , correspondente às concentrações de 1000 ppm e 2000 ppm, respectivamente; 15. A solução nutritiva deve circular intermitentemente nos canais em intervalos de 10 a 20 minutos durante o dia. À noite, o intervalo em que a solução não circula pode ser aumentado para até 2 horas; 16. Todos os sensores, atuadores e controlador deverão ser alimentados em tensão contínua de 12 V ; 17. O sistema deverá enviar mensagens SMS1 para o usuário, avisando-o que uma intervenção humana é necessária; 1 SMS: Short Message Service ou

Serviço de Mensagens Curtas

17

3.2. ARQUITETURA DO SISTEMA

18. O sistema deverá ser alimentado por um conjunto fotovoltaico, ficando independente do fornecimento de energia elétrica da concessionária.

3.2

Arquitetura do sistema

3.2.1

Estrutura Física

Para a montagem da estrutura física foram analisadas duas opções, no que diz respeito ao custo, praticidade de montagem e acabamento. A primeira foi a utilização de tubos de PVC de 100 mm de diâmetro enquanto a segunda foi a aquisição de um sistema comercial de hidroponia caseiro. Quanto ao custo, as duas opções têm preços muito semelhantes. No entanto a segunda opção é muito simples de ser montada e tem melhor acabamento. Portanto, a solução adotada foi a aquisição do sistema, chamado de kit caseiro de hidroponia, que pode ser visto nas Figuras 3.2 (a) e (b).

(a) Vista frontal

(b) Vista lateral e traseira

Figura 3.2: Kit de hidroponia caseiro Fonte: www.hidrogood.com.br 2

O conjunto de canais é formado por 2 tipos de perfis: •

2 perfis de 30 mm de altura e 58 mm de largura. Os orifícios tem 30 mm de diâmetro e são espaçados de 100 mm entre os centros. Neles podem ser colocadas até 15 plantas jovens, que ocupam menos espaço;

•

4 perfis de 55 mm de altura e 90 mm de largura. Os orifícios tem 45 mm de diâmetro e são espaçados de 200 mm entre os centros. Neles podem ser colocados até 14 plantas em fase adulta.

Foi necessário ainda a colocação de uma estrutura para sustentação da cobertura do sistema, para protegê-lo da chuva, feita de tubos de PVC de 1/2”. A cobertura foi feita com uma material propício para esse fim, chamado de agrofilme. 2 Fonte: http://hidrogood.com.br/loja/hidroponia-em-casa/kit-caseiro-hidrogood . Acesso

de 2015

em 15 de outubro

18


3.2.2

Circuito Hidráulico

Inicialmente foi feito o modelo do circuito hidráulico do sistema. Para sua elaboração foram considerados, além dos requisitos, aspectos econômicos e práticos, no que diz respeito à montagem. Dessa forma, chegou-se ao modelo que pode ser visto na Figura 3.3. No diagrama há um tanque principal com capacidade de 20 L onde fica a solução nutritiva. Um segundo tanque, de 1 L de capacidade, conterá a solução nutritiva concentrada. Esta será utilizada para a correção da condutividade da solução no primeiro tanque, através da válvula 1. Uma bomba faz a solução circular pelos canais, retornando ao reservatório principal por ação da gravidade. As válvulas 3 e 4 permitem a circulação da solução em direção aos canais ou ao próprio tanque. A válvula 2 permitirá o enchimento do tanque com água vinda de instalação externa ao sistema.

Figura 3.3: Diagrama do circuito hidráulico Para a escolha da bomba foram considerados os seguintes itens: •

Tensão de alimentação - deve ser igual à alimentação do sistema, que é de 12 V ;

•

Índice de Proteção ou IP - a bomba deve ser capaz de operar submersa. Dessa forma não é necessário fazer um orifício na parte inferior do tanque, reduzindo a possibilidade de algum vazamento. O IP adotado é o 68;

19

3.2. ARQUITETURA DO SISTEMA •

Vazão - a vazão necessária pode ser obtida através da Equação 2.2. A vazão aproximada recomendada nos canais com mudas é de 0, 5 Lmin 1, enquanto naqueles com plantas adultas é de 1, 5 Lmin 1 [Furlani et al., 2009b]. Uma vez que o sistema tem 2 canais para mudas e 4 para plantas adultas, o resultado obtido é uma vazão de 0, 63 m3 h 1 . −

−

−

A aparência da bomba adquirida e que atende aos requisitos pode ser vista na Figura 3.4 (a). As válvulas 2, 3 e 4 são do tipo solenoide normalmente fechadas, como a mostrada na Figura 3.4 (b). Para que o fluido passe através dela é necessário que ela esteja energizada com a tensão de alimentação correta, que no caso é 12 V , e que a pressão do fluido na entrada seja maior do que o da saída. A segunda condição faz com que não seja possível a utilização do mesmo tipo de dispositivo para a válvula 1, já que o fluido escoa por ação da gravidade. A alternativa adotada foi a utilização de uma válvula solenoide automotiva, semelhante àquela mostrada na Figura 3.4 (c).

(a) Bomba

(b) Válvula solenoide

(c) Válvula solenoide automotiva

Figura 3.4: Modelo de bomba e válvulas utilizados no sistema Fonte: www.autron.ind.br3

As válvulas foram colocadas em uma caixa de PVC, dando-as proteção contra intempéries. A Figura 3.5 mostra a disposição das válvulas dentro da caixa. A conexão entre elas foi realizada utilizando-se componentes tipicamente encontrados na construção civil, como tês, uniões, luvas e niples. A conexão entre a caixa, os canais e o tanque principal foi realizada com mangueiras usadas em jardinagem, além de engates rápidos.

3.2.3 Hardware Para atender aos requisitos já citados, são necessários diversos tipos de sensores, tais como de pH, condutividade, temperatura e nível da solução nutritiva. Ademais são necessários alguns atuadores, como bomba e válvulas já mostradas. No entanto, como a metodologia adotada é a incremental, optou-se por atender inicialmente somente aos requisitos 3 Fonte: http://www.autron.ind.br/Solenoide23vias.aspx?Strfab=2.

Acesso em 17 de dezembro de 2015.

20


Figura 3.5: Montagem e disposição das válvulas indispensáveis e que tem grande influência no crescimento das plantas. A Figura 3.6 mostra, em diagrama de blocos, os sensores e atuadores escolhidos para serem implementados no sistema. A especificação dos componentes pode ser encontrada no Anexo C. Controlador

O bloco chamado de controlador é formado por vários elementos que compõem um sistema embarcado. Atualmente encontra-se no mercado diversos componentes com essa finalidade, que vão desde sensores e atuadores até microcontroladores. Plataformas como o Arduino e Raspberry Pi, tornou-os muito populares pelo fato de terem tanto o software como o hardware abertos e consequentemente terem preços mais acessíveis. Por isso são conhecidos também como plataformas de baixo custo. Os sensores e atuadores são projetados de maneira a terem características elétricas e protocolos de comunicação compatíveis, mesmo entre diferentes plataformas. Além disso, uma grande vantagem das plataformas abertas é o desenvolvimento de bibliotecas por parte dos usuários, que podem ser facilmente encontradas na internet. Entre os elementos que compõem o controlador, o principal é o microcontrolador, que é um dispositivo de processamento programável. Para a escolha do mesmo, foram levados em consideração: Preço; • Facilidade de programação; • Recursos e periféricos disponíveis. •

Duas opções se mostraram bastante promissoras. As principais características de cada

21


Figura 3.6: Diagrama de blocos do Hardware utilizado uma estão resumidas na Tabela 3.1. Tabela 3.1: Comparação entre as duas opções de plataformas de baixo custo Arduino Mega ATmega2560 (Atmel) 16 MHz 54 256 KB 8 KB 16 x 10-bit ADCs 1 x SPI,1 x I2C, 4 x UART Arduino R$96,56

Tiva C TM4C123GH6PM (Texas Instruments) 80 MHz 40 256 KB 32 KB 24 x 12-bit ADCs 3x SPI/SSI, 4x I2c, 8x UART Energia R$79,29

Microcontrolador Clock Número de I/O’s Memória Flash Memória RAM Conversor A/D Outros periféricos IDE Preço* *O preço considerado já inclui as despesas de frete para um prazo de entrega de no máximo 7 dias Fonte: www.ti.com 4 e www.arduino.cc 5

A plataforma escolhida foi a Tiva C, que é aquela com mais recursos e menor preço. A aparência do dispositivo é mostrada na Figura 3.7. Além do microcontrolador, outros componentes também são necessários. Um deles é o conversor buck , responsável por abaixar a tensão de 12 V para 5 V , que é a tensão de 4 http://www.ti.com/ww/en/launchpad/launchpads-connected.html. 5 https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560

Acesso em 27 de outubro de 2015. . Acesso em 27 de outubro de 2015.

22


Figura 3.7: Plataforma de desenvolvimento Tiva C Fonte:www.ti.com 6

alimentação de vários dos componentes. O conversor pode ser visto na Figura 3.8 (a). Também foram necessários alguns relés, que fazem a interface entre o microcontrolador e cargas como válvulas e bomba. As bobinas do relés são alimentadas em 5 V e seu acionamento é realizado por transistores que são polarizados diretamente pelo microcontrolador. A aparência dos relés pode ser vista na Figura 3.8 (b). Adicionalmente, é necessário um módulo RTC - Real Time Clock , que nada mais é do que um relógio com bateria própria, mostrado na Figura 3.8 (c).

(a) Conversor buck

(b) Relés

(c) Módulo RTC

Figura 3.8: Conversor e relés utilizados

Sensor de Condutividade Elétrica

O sensor de condutividade elétrica, ou condutivímetro, é utilizado para a medição da concentração dos nutrientes na solução nutritiva. Para mensurar a condutividade, que é o inverso da resistência elétrica, aplica-se um campo elétrico entre dois eletrodos imersos na solução. É importante que esse campo elétrico seja alternado, amenizando assim o efeito da corrosão eletroquímica dos eletrodos. 6 http://www.ti.com/ww/en/launchpad/launchpads-connected-ek-tm4c123gxl.html .

bro de 2015.

Acesso em 27 de outu-


23

No mercado há basicamente dois tipos de condutivímetros, aqueles portáteis ou de bolso e os de bancada. Os primeiros tem preços mais acessíveis enquanto os outros podem chegar a preços bastante elevados. Todavia, nenhum deles tem saídas compatíveis com o controlador. Foi necessário então, desenvolver o sensor e seu condicionador de sinal. O circuito desenvolvido é mostrado na Figura 3.9. O amplificador U1:A, juntamente com alguns resistores, capacitores e diodos zener é o responsável pela geração de um sinal senoidal, através de uma ponte de Wien [Velazquez et al., 2013]. Esse sinal é então aplicado a um dos eletrodos, que são feitos de duas hastes de aço inoxidável, fixadas na tampa do reservatório principal. O segundo eletrodo está conectado a ao amplificador U1:B, que simplesmente amplifica o sinal. O amplificador U1:C, juntamente com a ponte de diodos, faz a retificação em onda completa do sinal. Já o amplificador U1:D, em conjunto com alguns resistores, permite condicionar o sinal em uma faixa entre 0 e 5 V . Todos os ajustes são realizados através de trimpots. Para a alimentação do circuito integrado TL074, que contém os amplificadores citados, é necessário uma tensão simétrica. Ela é obtida através de uma fonte simétrica de pequena capacidade, mas suficiente para alimentar todo o circuito. Os resistores R7 e R8 tem o mesmo valor e fazem um divisor de tensão. O amplificador U2 faz o papel de um regulador de tensão, mantendo sua saída sempre igual à tensão entre os resistores. Dessa forma, se o circuito for alimentado com 12 V no conector J2, então as tensões V+ e V- serão, respectivamente, 6 V e −6 V , quando medidas em relação ao terra conectado à saída de U2. O circuito foi montado numa placa de fenolite. Para tal, foi utilizado o EAGLE PCB Design Software para a confecção do layout , que pode ser visto na Figura 3.10 (a). Para a confecção da placa foi utilizado um material conhecido como Dry Film, que é uma película fotossensível. Essa película foi fixada à placa através de uma técnica que utiliza somente água. Em seguida, o layout foi impresso em uma transparência e colocado em cima da película. O conjunto foi então levado ao sol por cerca de 5 minutos. As partes da película que receberam raios solares reagem e se fixam à placa, enquanto as demais são retiradas com a imersão da placa numa solução de carbonato de cálcio. O resultado dessa etapa pode ser visto na Figura 3.10 (b). O próximo passo foi fazer a corrosão da placa, imergindo-a numa solução de percloreto de ferro. Uma vez terminada a corrosão, o Dry Film foi retirado com o auxílio de uma lã de aço, obtendo-se o resultado obtido na Figura 3.10 (c). A placa foi então furada com equipamento próprio e os componentes eletrônicos foram finalmente soldados à ela. A placa finalizada pode ser vista na Figura 3.10 (d). Com o circuito montado, foi possível realizar a calibração do mesmo. No entanto, ao invés de se utilizar uma solução padrão, que é uma solução de concentração conhecida, utilizou-se a própria solução nutritiva, preparada segundo instrução do fabricante do kit e água da torneira. Isso porque o processo não demanda muita precisão, além dos custos de aquisição dos padrões serem relativamente elevados.

24


Figura 3.9: Diagrama esquemático do circuito do sensor de condutividade Conjunto Fotovoltaico

Com o objetivo de não deixar o sistema dependente de energia elétrica da distribuidora, um conjunto fotovoltaico foi usado como fonte de alimentação. Esse conjunto consiste em um painel fotovoltaico, um controlador de carga e um banco de baterias. A especificação de cada um dos componentes foi o resultado de outro trabalho acadêmico [SAVADOGO, 2015] e levou em consideração as condições climáticas da região e o consumo médio do sistema hidropônico. O painel solar, mostrado na Figura 3.11 (a), tem uma potência de pico de 30 W , tensão máxima em carga de 18, 5 V e corrente máxima de 1, 62 A. O controlador de carga pode ser visto na Figura 3.11 (b). Seu papel é o de controlar a carga da bateria, assim como o de regular a tensão de saída em 12 V . Por fim, o banco de baterias é formado por 3 baterias semelhantes àquela mostrada na Figura 3.11 (c). Cada uma tem a capacidade de 7 Ah e, como foram ligadas em paralelo, somam uma capacidade total de 21 Ah. Sua função é o de suprir o sistema hidropônico durante o período em que não há incidência de luz solar sobre o painel. O painel foi colocado em um local que recebe luz solar direta durante grande parte do dia, com sua face voltada para a direção norte e inclinação igual à da latitude do local, que é de aproximadamente 19 7 . ◦

7 Fonte: http://www.portalsolar.com.br/a-melhor-direcao-do-painel-solar-fotovoltaico.html.

Acesso em 14

25


(a) Layout da placa

(b) Placa

com

(c) Placa corroída

(d) Placa Montada

Dry Film

Figura 3.10: Etapas de confecção da placa

(a) Painel solar

(b) Controlador de carga da bateria

(c) Bateria de 12V

Figura 3.11: Componentes do conjunto fotovoltaico Fonte: www.unipower.com.br 8

Módulo de Comunicação

O módulo de comunicação é o responsável por permitir que o sistema de hidroponia envie e a receba mensagens SMS. É através desse tipo de mensagem, especificada nos requisitos do projeto, que é feita a interação entre o sistema e o usuário final. Mais especificamente, utilizou-se um modem GSM9 , cujo modelo é conhecido como SIM900, e faz parte de um shield para plataformas abertas. Sua aparência pode ser vista na Figura 3.12. A comunicação entre o microcontrolador e o modem é feita através de um protocolo serial conhecido como AT [Ltd, 2013]. de setembro de 2015.

8 http://www.unipower.com.br/index.php?/UP1270E.html 9 GSM: Global System for Mobile Communications ou

. Acesso em 4 de novembro de 2015. Sistema Global para Comunicações Móveis

26


Figura 3.12: Modem GSM modelo SIM900 Demais sensores

Para realizar o controle ou monitoramento do nível da solução nos tanques foram utilizados dois tipos de sensores. No tanque de solução nutritiva concentrada, foi instalado um sensor de nível tipo boia, semelhante àquele mostrado na Figura 3.13 (a). Sua função é sinalizar ao controlador quando o nível do tanque atinge o limite inferior. Foi portanto instalado na lateral do tanque, o mais próximo possível de seu fundo. O nível do tanque principal é medido com um sensor ultrassônico. Esse tipo de sensor detecta a presença de uma barreira, seja sólida ou líquida, utilizando-se de ondas sonoras ultrassônicas. Se o tempo decorrido entre a emissão de uma onda e recepção de seu eco pode ser medido, então é possível calcular a distância entre o sensor e a barreira. Uma de suas aplicações é a medição de nível. Sua aparência é mostrada na Figura 3.13 (b). O sensor foi instalado na tampa do reservatório principal.

(a) Sensor de nível

(b) Sensor ultrassônico

(c) Sensor de vazão

(d) Sensor de temperatura

Figura 3.13: Tipos de sensores utilizados O sensor de vazão é do tipo efeito Hall. Um conjunto de hélices gira a medida que o líquido passa pelo sensor. Acoplado ao eixo das hélices há um imã. Um sensor de efeito Hall é posicionado próximo ao imã e detecta a movimentação do mesmo. A cada volta das hélices um pulso é gerado. Assim, a vazão é proporcional à frequência dos pulsos gerados. O sensor pode ser visto na Figura 3.13 (c). Ele foi colocado na saída da solução nutritiva para os canais, com o objetivo de permitir a verificação do funcionamento da bomba. O monitoramento da temperatura da solução nutritiva é realizado através de um sensor DS18B20. Esse dispositivo é um circuito integrado com três terminais, sendo 2 de alimentação e 1 para comunicação. Ele é encapsulado numa ponta de aço inoxidável, que pode ser


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colocado diretamente em contato com o líquido. Sua aparência é mostrada na Figura3.13 (d).

Montagem final

Os componentes do hardware foram conectados segundo o diagrama elétrico mostrado na Figura 3.14. Aqueles que compõem o controlador, foram instalados numa caixa de PVC para instalações elétricas. A aparência da montagem pode ser vista na Figura 3.15. Para realizar as conexões entre o controlador e os sensores e atuadores foram utilizados cabos de múltiplas vias de seção 26 AWG. Já a conexão entre o conjunto fotovoltaico e o sistema de hidroponia foi feita utilizando-se um cabo PP de 2 × 2, 5 mm2 . Isso porque o conjunto está a uma distância aproximada de 20 m e a queda de tensão no cabo, em relação à tensão de 12 V , é significativa. Para reduzir a queda de tensão, basta aumentar a seção do condutor. O melhor custo benefício encontrado entre queda de tensão e preço foi o do cabo de 2, 5 mm2 .

Figura 3.14: Diagrama elétrico do sistema

3.2.4 Software IDE

A IDE, do inglês Integrated Development Environment ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado, é uma ferramenta de desenvolvimento de software que inclui, pelo menos, um

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Figura 3.15: Montagem do controlador editor, um compilador e um debugger [Ganssle and Barr, 2003]. Para o microcontrolador escolhido, uma das opções de IDE é o Energia10 , que é uma plataforma aberta com o objetivo de trazer o framework do Arduino para as launchPads11 da Texas Instruments. O IDE pode ser obtido gratuitamente no web site de mesmo nome. A vantagem de se usar o Energia é a facilidade para se programar microcontroladores, pois não exige do programador que ele conheça a arquitetura dos mesmos. A linguagem de programação é específica, porém muito semelhante ao C e C++, já que é uma derivação destas. A configuração e utilização de periféricos também é muito simplificada com o uso de bibliotecas, escritas em C++, que são de código aberto. Elas são um conjunto de funções que nos permite acessar os registradores do microcontrolador numa linguagem de alto nível. Um inconveniente é que geralmente, depois de compilados, os códigos que utilizam bibliotecas geralmente ficam maiores do que aqueles que se utilizaram de uma linguagem de baixo nível. Se for necessário, usuários avançados podem modificá-las para que atendam melhor às necessidades.

Algoritmo

O algoritmo principal do sistema, que é executado a maior parte do tempo, é o de controle da irrigação dos canais. O regime de funcionamento pode ser dividido em dois períodos diferentes, durante o dia e à noite. Ao decorrer do dia, a irrigação deve permanecer ligada durante metade do tempo, alternando entre em intervalos de 15 minutos. Já durante a noite, ela pode permanecer ligada por menos tempo. Tipicamente, fica 15 minutos ligada e 60 10 www.energia.nu 11 LaunchPads são

Instruments.

kits de desenvolvimento de baixo custo para microcontroladores fabricados pela Texas


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desligada. A primeira parte do algoritmo é o que identifica se a hora atual corresponde ao dia ou à noite. Ele está representado por uma máquina de estado finito de Mealy estendida, mostrada na Figura 3.16. O algoritmo é executado a cada 20 segundos.

Figura 3.16: Máquina de estados finitos que define se é dia ou noite Dentro de cada estado da Figura 3.16, outro algoritmo é executado, definindo se a irrigação deve ou não ser ligada. Esse algoritmo é representado usando a mesma notação anterior, mostrado na Figura 3.17.

Figura 3.17: Máquina de estados finitos que controla a irrigação As variáveis INTERV1 e INTERV2 são definidas segundo o período atual, como mostrado na Tabela 3.2. Tabela 3.2: Definição do ciclo de irrigação Período Dia Noite INTERV1 (min) 15 15 INTERV2 (min) 15 60 Para ligar a irrigação basta acionar, simultaneamente, a bomba e a válvula 4. O sensor de vazão permite verificar se há um fluxo de solução nutritiva em direção aos canais. Para

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medir a vazão, o algoritmo conta o número de pulsos vindos do sensor em um determinado intervalo de tempo. Um cálculo é então realizado para converter o número de pulsos em L/h. Essa conversão não necessita ter grande precisão, já que o único objetivo é verificar se há ou não vazão. A contagem dos pulsos é feita utilizando-se interrupção. Assim uma variável é incrementada a cada pulso vindo do sensor durante um espaço de tempo em que as interrupções estão habilitadas. A temperatura também é verificada a cada iteração do algoritmo principal. A comunicação com o sensor é realizada através do protocolo One Wire 12 . As funções usadas fazem parte da biblioteca TM4C_DS18B20 13 . O nível do tanque principal também deve ser monitorado, já que uma parte da solução nutritiva é absorvida pelas plantas ou simplesmente evapora. Isso é feito através do sensor ultrassônico. Um pulso de 1ms é enviado ao trigger do sensor e o tempo gasto para o som atingir o obstáculo e retornar ao sensor é medido. Um cálculo é então realizado para converter o tempo gasto pelo som para percorrer duas vezes a distância entre o sensor e o obstáculo em distância, considerando a velocidade do som no ar. Quando o nível atingir um limite inferior, o tanque principal deve ser enchido. Isso é feito abrindo-se a válvula 2, permanecendo aberta até que o limite superior seja alcançado. No entanto, ao adicionar água à solução, ela é diluída. Faz-se necessário então, corrigi-la. Durante a calibração do sensor, atribuiu-se o valor de 100% à condutividade da solução nutritiva preparada segundo instruções do fornecedor dos nutrientes. Mantendo os eletrodos fora da solução atribuiu-se 0% ao valor indicado pelo sensor. Valores entre 0 e 100% indicam que a solução está com concentração abaixo da ideal. Inicialmente a solução é homogeneizada, através do acionamento da bomba e da válvula 3 durante um intervalo de tempo definido, fazendo a solução circular pelo próprio tanque. Uma vez a solução homogeneizada, é realizada a medição da condutividade. Caso o valor esteja abaixo da referência, é adicionado solução nutritiva concentrada, através do acionamento da válvula 1, durante um intervalo de tempo definido. Em seguida o a solução é novamente homogeneizada e a condutividade é mensurada. Caso o valor lido ainda seja menor que a referência, o processo é repetido, indefinidamente, segundo mostra a Figura 3.18.

Geração de Alertas

Quando um comportamento anômalo é identificado no sistema ou quando este requere alguma intervenção, um alerta deve ser enviado ao usuário, através de mensagem SMS. Os tipos possíveis de alerta, considerando os sensores utilizados, são: • 12 A

Temperatura Elevada: ocorre quando a temperatura da solução nutritiva ultrapassar um

tecnologia One Wire é um protocolo serial que usa uma única via de dados mais uma referência de terra para a comunicação. Foi desenvolvido pela Dallas Semiconductor Corp. Fonte: https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1796. Acesso em 21 de novembro de 2015. 13 Fonte: http://forum.43oh.com/topic/3314-energia-library-onewire-ds18b20-430-stellaris/page-2. Ace sso em 12 novembro de 2015


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Figura 3.18: Fluxograma que representa o algoritmo de correção da condutividade valor máximo determinado; •

Falha na Irrigação: ocorre quando a bomba e a válvula 4 estão ligadas mas nenhuma vazão é detectada em direção aos canais;

•

Falha Abastecimento: ocorre quando o a válvula 2 está aberta para o enchimento do reservatório principal e o tempo para detecção de nível alto ultrapassa um valor máximo determinado;

•

Nível Baixo de Solução Concentrada: ocorre quando o nível de solução nutritiva concentrada atinge um valor mínimo.

Para outros tipos de alertas, como o de pH da solução fora da faixa de referência, é necessário instalar sensores capazes de detectar situações de falha.

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Capítulo 4 Resultados 4.1

Introdução

Na metodologia incremental, testes são feitos em várias etapas do desenvolvimento de um sistema embarcado, assim como em seus componentes individuais. Os primeiros testes foram realizados dentro do Laboratório de Sistemas Inteligentes, do Departamento de Engenharia Eletrônica da Escola de Engenharia da UFMG, local onde foi realizado a fase inicial de desenvolvimento do projeto. A segunda parte dos testes foi realizada com o sistema já em funcionamento, em um dos pátios internos da Escola de Engenharia. O local escolhido levou em consideração o número de horas de insolação direta e a existência de uma fonte de água nas proximidades. O tempo de insolação direta está diretamente ligado ao desenvolvimento das plantas. Além disso, os testes foram realizados a partir da segunda quinzena de outubro de 2015.

4.2

Testes Realizados no Laboratório

O primeiro teste foi realizado após a montagem do kit de hidroponia, com o objetivo de observar o comportamento de um líquido nos canais. Para isso, utilizou-se água e a bomba ligada diretamente à uma fonte CC de 12 V . Durante a preparação do teste verificou-se a necessidade de colocar uma luva adaptadora de solda para rosca, além de um bico de mangueira, ambos de 1/2”, na entrada e saída dos canais. Feito isso, pode-se proceder ao teste. Ao ligar a bomba, foram observados vazamentos em várias conexões entre a bomba e os canais, mostrados na Figura 4.1 (a). As conexões não podem ser definitivamente coladas com o uso de adesivo, uma vez que a tubulação precisa ser desmontável para limpeza. Foi feito então o uso de uma luva, que mesmo sendo fixada com adesivo, permite a desmontagem do sistema, como mostrado na Figura 4.1 (b). Também usou-se fita veda rosca para eliminar os vazamentos. Também foi notado um acúmulo excessivo de água nos canais quando o perfil de recolhimento tocava-os internamente, obstruindo a passagem da água. O perfil de recolhimento também deve ser de fácil remoção, não sendo possível sua fixação. Para resolver esse pro33

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CAPÍTULO 4. RESULTADOS

(a) Pontos de vazamentos

(b) Conexões utilizadas

(c) Corte no perfil

Figura 4.1: Vazamentos e conexões utilizadas para eliminá-los blema foi feito um corte em cada perfil, como o mostrado na Figura 4.1 (c), impedindo que o líquido fosse obstruído. A próxima etapa foi a realização de testes das válvulas, ainda no laboratório e com o uso de água. A válvula 4 inicialmente era uma adaptação de um registro de PVC e conjunto motor redutor. Isso porque essa válvula deve ficar aberta a maior parte do tempo em que a bomba está funcionando. Se ela fosse normalmente aberta, nenhuma energia seria gasta para permitir a passagem do líquido. Como não foi encontrada uma válvula desse tipo com preço compatível com do projeto, optou-se por fazer a adaptação. Dessa forma o motor, através de engrenagens, fecha e abre o registro. No entanto, a fixação do registro e do motor não pôde ser realizada com precisão, prejudicando assim o funcionamento do sistema. A segunda opção foi a utilização de uma válvula solenoide normalmente fechada, como as demais. Nesse caso, para que o líquido passe, ela deve permanecer energizada. Nos testes realizados com a segunda válvula não houve nenhuma alteração de seu funcionamento normal. Além disso, as válvulas 2 e 3 também não apresentaram anomalias de funcionamento. Para o teste da válvula 2, o própria bomba foi utilizada para forçar a passagem de água. A válvula 1 inicialmente também foi adaptada. O líquido passa por uma mangueira de silicone, de 5 mm de diâmetro. Essa mangueira é fixada ao eixo um motor redutor. À medida

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4.2 Testes Realizados

que ele gira, dobra a mangueira, impedindo a passagem do líquido. Para permitir o fluxo do líquido, basta que o motor gire no sentido oposto, sendo a excursão total de 180 . Todavia, o posicionamento da mangueira não pôde ser feito com a devida precisão. Dessa forma, ocasionalmente, a mangueira se soltava e a válvula deixava de funcionar. A alternativa foi a utilização de uma válvula automotiva, normalmente fechada. Os testes realizados com a segunda válvula não apresentaram anomalias no funcionamento. ◦

Depois de as válvulas serem testadas manualmente, foram feitas as conexões elétricas entre elas e o controlador, a fim de se testar o funcionamento do algoritmo principal. O sistema foi alimentado com uma fonte CC de 12 V e seu funcionamento foi monitorado. A corrente solicitada pelo sistema quando nenhum dos relés está ligado é de 0, 0 A. Já quando a irrigação está funcionando, essa corrente passa ser de 1, 35 A, sendo que 0, 75 A são requisitados somente pela bomba. Não houve registro de nenhuma anomalia em sua operação. A recirculação do tanque também foi testada e observou-se que toda a solução foi movimentada dentro tanque. Já para o teste do enchimento do tanque principal foi conectado o sensor ultrassônico. Também foi necessário usar um reservatório adicional, cheio de água, no qual a bomba foi colocada e então conectada à entrada de água. A bomba foi mantida ligada até o enchimento do tanque, que estava inicialmente vazio. Enquanto isso, o nível do tanque, lido pelo sensor, foi monitorado, através de uma conexão serial entre o microcontrolador e o computador. Os valores obtidos foram usados para a construção do gráfico mostrado na Figura 4.2. Como pode ser observado, o valor medido não corresponde à realidade para valores de nível menores que 28 cm . No entanto, ao atingir o nível máximo de 30 cm , o controlador desativou a válvula e a bomba.

Figura 4.2: Gráfico do nível do tanque principal versus tempo O primeiro teste do conjunto fotovoltaico foi realizado no interior do laboratório. O painel foi colocado na janela, onde não recebia raios solares diretamente. Somente as cargas de 12 V foram ligadas, e as baterias estavam inicialmente carregadas, com uma tensão de

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12, 72 V . O controlador executou o código do algoritmo principal, com INTERV1 e INTERV2 iguais a 15 min . Além disso, foi acrescentado ao código uma função que registra

em memória não volátil o tempo decorrido até as baterias se descarregarem. A alimentação do controlador, em 5 V , foi feita por uma fonte CC. O sistema funcionou ininterruptamente por 22 horas e 15 minutos, até que a alimentação foi cortada pelo conversor. A tensão da bateria ao final do teste foi de 11, 65 V . Quanto ao modem GSM, foram realizados alguns testes de maneira isolada. Inicialmente, o modem utilizado foi o modelo SIM800L, cuja aparência é mostrada na Figura 4.3. A placa Tiva C foi utilizada para fazer a interface entre o modem e o computador, através de suas portas seriais. Para isso, ela foi programada para transmitir toda a informação que chegasse de uma porta serial para outra e vice-versa1 . Utilizou-se também o programa AT Command Tester 2 , que oferece uma interface amigável para a troca de comandos AT entre o modem e o computador.

Figura 4.3: Modem GSM modelo SIM800L Para a realização dos testes, utilizou-se um chip SIM da operadora TIM. Foi constatado que o modem não foi capaz de conectar-se à rede da operadora. A causa provável é a não compatibilidade do mesmo com o padrão do sinal de telefonia local, ao contrário do que diz seu fornecedor. Passou-se então a realização dos testes usando o modem modelo SIM900, mostrado na Figura 3.12, que foi capaz de conectar-se à rede da operadora. Mensagens SMS foram enviadas e os respectivos comandos AT foram obtidos.

4.3

Testes Realizados em Ambiente Externo

O próximo teste foi realizado em ambiente externo, onde o sistema e o painel fotovoltaico receberam raios solares diretamente na maior parte do dia. O tanque foi manualmente abastecido com água, e o sistema colocado em funcionamento. Seu comportamento foi monitorado por 2 dias e não apresentou nenhuma anomalia nesse período. Foram então colocadas 12 mudas de alface no sistema, adquiridas já com aproximadamente 10 cm de comprimento. As mudas foram feitas em um substrato que usa vermiculita expandida, que é um tipo de material que libera partículas sólidas inertes na água. O sistema foi colocado em funcionamento novamente. Durante um intervalo de aproximadamente 20 horas, o sistema 1 O código utilizado está disponível

em http://m2msupport.net/m2msupport/using-at-command-tester-witharduino-boards/. Acesso em 21 de novembro de 2015. 2 Disponível em http://m2msupport.net/m2msupport/module-tester/. Acesso em 21 de novembro de 2015.

4.3. TESTES REALIZADOS EM AMBIENTE EXTERNO

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operou normalmente. Todavia, num espaço de tempo pouco maior que 1 hora, a irrigação deixou de ser realizada devido a uma falha na bomba, Como consequência todas as plantas murcharam, já que a temperatura do ambiente estava bastante elevada. Também é importante ressaltar que a funcionalidade de detecção de falha na bomba não estava implementada na ocasião. Quanto a falha da bomba, constatou-se que seu enrolamento queimou. Outra bomba de mesmo modelo foi adquirida e reinstalada, com a adição de um fusível para protegê-la. No entanto, passou-se a produzir mudas utilizando-se um material conhecido como espuma fenólica que, diferentemente do outro substrato, não libera partículas na água. Enquanto isso, foi testado o enchimento automático do tanque. Uma mangueira de jardinagem conectou uma torneira próxima à entrada de água externa do sistema. A torneira foi mantida aberta e a válvula 2 acionada. Não houve a entrada de água, apesar de a válvula estar aberta. Foi constatado que quando a torneira estava aberta ao máximo, a água não passa pela válvula 2. Com a torneira por volta de 50% aberta, á água passa pela válvula normalmente, se acionada. Com a torneira mantida nessa condição, foi possível realizar o teste de enchimento, que ocorreu sem anomalia, além daquela já constatada. Uma vez que as mudas estavam com 10 dias de idade, no dia 5 de novembro de 2015, elas foram colocadas no sistema. A água foi substituída pela solução nutritiva e o sistema colocado em funcionamento. As mudas tinham o tamanho aproximado daquela mostrada na Figura 4.4 (a). As Figuras 4.4 (b) e (c) mostram a planta depois de 8 e 18 dias no sistema, respectivamente. Depois de alguns dias de funcionamento, foi detectado a diminuição da vazão de solução nutritiva nos canais. O causa identificada foi o acúmulo de partículas sólidas na filtro da válvula, cujo modelo era diferente das demais, causando sua obstrução. A solução foi então a substituição dessa válvula por um modelo semelhante às outras, sem filtro. É interessante observar que, mesmo a espuma fenólica, libera partículas sólidas na solução, que são quase imperceptíveis mas podem se acumular. Houve também um vazamento em uma das conexões dos engates rápidos, o que levou a uma diminuição de nível do tanque principal de 100 para 60% de sua capacidade em apenas 5 dias. O vazamento, corrigido com a troca do engate, gerou uma oportunidade para a realização do teste de correção da condutividade. Inicialmente o tanque foi enchido. Isso fez com que a solução fosse diluída, e o valor da condutividade variou de 99 para 76%. O algoritmo de correção da concentração de nutrientes foi colocado em operação. O tempo para homogeneização e para acréscimo da solução nutritiva concentrada foram, respectivamente, 1 min e 10 s a cada iteração. O gráfico da Figura 4.5 mostra a evolução da condutividade em função da iteração do algoritmo, que foi executado por 15 vezes, até que a solução estivesse corrigida. Foi constatado também um comportamento não desejável do conversor da bateria. Quando a bateria descarrega, atingindo uma tensão de 11, 65 V , o conversor desliga a carga. Para ligá-lo novamente é necessário pressionar um botão em sua interface, desde que a bateria esteja carregada. No entanto, mesmo depois que a bateria carrega, ele continua indicando

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(a) Muda no dia em que foi colocada no sistema

(b) Muda depois de 8 dias no sistema

(c) Muda depois de 18 dias no sistema

Figura 4.4: Desenvolvimento das mudas no sistema que ela está sem carga. É necessário então desconectá-la e reconectá-la em seguida. Assim o conversor passa a aceitar o comando de ligar a carga. A Figura 4.6 mostra o resultado final obtido para o sistema de hidroponia, já em funcionamento.

4.3. TESTES REALIZADOS EM AMBIENTE EXTERNO

39

Figura 4.5: Gráfico da condutividade da solução versus iterações do algoritmo de correção

Figura 4.6: Sistema de hidroponia automatizado em funcionamento

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Capítulo 5 Discussão dos Resultados 5.1

Introdução

Neste capítulo os resultados obtidos durante os vários testes realizados são discutidos. São propostas também algumas soluções para problemas encontrados. Por fim, avaliou-se o resultado global do sistema.

5.2

Resultados dos testes de componentes individuais

A montagem do kit caseiro de hidroponia permitiu constatar que o produto apresenta falhas em seu projeto, já que não é possível vedar totalmente a tubulação e deixá-la desmontável para limpeza. O problema foi contornado com uso de uma luva, adesivo e veda rosca, produtos próprios para instalações hidráulicas na construção civil. Com o intuito de desenvolver um sistema de baixo custo, foram feitas as adaptações das válvulas 1 e 4, utilizando-se conjunto motores redutores adquiridos como sucata. Dessa forma, os motores utilizados foram baratos, o que não quer dizer que os mesmos equipamentos novos também o sejam. Mais especificamente, modelos semelhantes custam por volta de R$ 70, 001 , enquanto uma válvula solenoide pode ser adquirida pela metade do preço 2 . No caso da válvula 4, a adaptação foi a primeira solução adotada a fim de se obter uma válvula normalmente aberta, que é o tipo mais adequado para sua função. Isso porque a válvula deve permanecer aberta sempre que a irrigação for realizada e deve ficar fechada para a homogenização do tanque. Ou seja, deve ficar fundamentalmente aberta. No caso da utilização de uma válvula normalmente fechada, ela deve ser acionada sempre que a irrigação for realizada. A potência dissipada na válvula é de aproximadamente 6 W 3 . Esse consumo extra reduz a autonomia do conjunto de baterias. 1 http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-704486792-motor-dc-micro-motor-cc-e-redutor-69-rpm12v-JM 2 http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-714751887-valvula-solenoide-12v-dc-automaco-irrigacocaixa-

dagua-JM 3 A corrente consumida pela válvula é de aproximadamente 500 mA. Então o produto entre tensão e corrente dá um resultado de 6 W

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42

CAPÍTULO 5. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Todavia, constatou-se que a adaptação deveria ser muito bem realizada, caso contrário, a chance de ocorrer algum problema durante seu funcionamento é muito alta. Dessa forma, preferiu-se aumentar a confiabilidade do sistema em detrimento da autonomia das baterias. Com relação à adaptação realizada com a válvula 1, a motivação foi a obtenção de uma válvula normalmente fechada e que permitisse o líquido passar somente pela ação da gravidade, quando acionada. O bom funcionamento da adaptação também depende de precisão em sua confecção, que não pôde ser obtida com as ferramentas disponíveis. Optou-se portanto, por adquirir uma válvula encontrada no mercado, usada em automóveis e que apresenta as características desejadas. A montagem do controlador também requer atenção, devido à quantidade de conexões elétricas. Procurou-se fazer a montagem o mais modularizada possível, facilitando assim as manutenções e modificações. Houve ainda uma preocupação em fazer a montagem de maneira a não permitir a entrada de água nos circuitos eletrônicos. O teste de enchimento do tanque permitiu concluir que não é possível obter medidas confiáveis do nível do tanque principal, para valores menores que 28cm. Assim, na prática, o sensor ultrassônico está funcionando como um sensor de nível alto. Mesmo com esse problema, ele ainda atende ao seu objetivo, que é o de verificar quando o tanque está cheio. É verdade que não é possível detectar o nível baixo do reservatório. Todavia, a observação do funcionamento do sistema permite concluir que o enchimento do tanque pode ser feita de forma periódica, como por exemplo, a cada semana. A causa dos erros de medição são os obstáculos presentes dentro do reservatório principal, como os eletrodos do sensor de condutividade e mangueiras. Para corrigir esse problema pode-se alterar a disposição desses elementos dentro do tanque. É possível ainda, mudar o tipo de sensor, colocando sensores do tipo boia, por exemplo. Os testes de correção da condutividade da solução mostram que a técnica adotada cumpre sua finalidade. No entanto, algumas observações devem ser feitas. Inicialmente, a unidade de condutividade elétrica no Sistema Internacional de Unidades é o S/m. Todavia, nesse trabalho, adotou-se o uso de uma condutividade relativa. Isso quer dizer que os valores absolutos de condutividade não são conhecidos, pois a calibração do sensor desenvolvido não foi feita com o uso de padrões. A justificativa é que os padrões têm custo elevado em relação ao projeto e seriam pouco usados, além de terem prazo de validade. Também não se teve acesso a um condutivímetro, o que poderia auxiliar a calibração. Quanto à técnica de controle, é conhecido que existem outras que levam a resultados mais rápidos e precisos. Por outro lado, seriam necessários mais sensores, o que torna o projeto mais complexo e caro. Portanto, optou-se por realizar o controle da forma mostrada na Figura 3.18. A falha apresentada pela bomba durante a realização dos testes não teve a causa identificada. A princípio pensou-se que o excesso de partículas sólidas liberadas pelo substrato das mudas colocadas no sistema pudesse travar seu eixo e levá-la a queimar. No entanto, ao se desmontar a bomba essa hipótese foi descartada, já que o eixo da bomba estava livre. A perda da mesma também poderia ser evitada se houvesse algum dispositivo de proteção, como um fusível. Juntamente com a instalação da nova bomba, a falha no projeto foi corrigida com a colocação de um fusível de 1, 5 A para protegê-la.

5.2. RESULTADOS DOS TESTES DE COMPONENTES INDIVIDUAIS

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Além disso, o kit de hidroponia não foi projetado para o tipo de substrato usado. Sistemas hidropônicos onde esse material é utilizado necessitam de um filtro para retirar as impurezas da solução. A inconveniência de usar o filtro é que ele deve ser lavado periodicamente, para que não fique totalmente obstruído. Isso aumenta o número de intervenções necessárias no sistema, efeito não desejado. Portanto, optou-se por produzir mudas utilizando-se espuma fenólica. Para a produção de mudas, usou-se a metodologia indicada no manual do kit de hidroponia, que é semelhante àquela encontrada na internet4 . Apesar de muito simples, escolheu-se não incluir esse processo no projeto. É importante ressaltar que, para que haja de 3 a 4 alfaces prontas para serem colhidos toda semana, as mudas devem ser repostas com igual frequência. O primeiro teste do conjunto fotovoltaico, realizado dentro do laboratório, permitiu constatar que a autonomia das baterias é de aproximadamente 11 horas, considerando um funcionamento contínuo somente da bomba. No entanto, as condições em que foi realizado esse teste, não são as mesmas das de operação do sistema, quando colocado em ambiente externo. Se por um lado o painel foi colocado em um local onde recebe luz solar direta, aumentando sua geração de energia, por outro, a carga aumentou, já que para realizar a irrigação tanto a bomba quanto a válvula 4 devem ser acionadas. Adicionalmente, o circuito eletrônico consome uma corrente de 63 mA, 24 horas por dia. Em dias de céu limpo, o conjunto fotovoltaico é capaz de alimentar o sistema sem interrupção, diferentemente daqueles em que o céu está nublado. A consequência é que a alimentação é interrompida no período da noite. Soma-se a esse problema o fato do conversor não detectar o carregamento da bateria. O que exige a intervenção do usuário para repor o sistema em funcionamento. Existem várias opções para corrigir o problema. A primeira delas é a troca do conversor por outro que opere corretamente. Também podem ser adquiridos baterias ou painéis adicionais, aumentando assim, a capacidade de armazenamento e de geração de energia, respectivamente. Uma alternativa aos painéis e baterias adicionais pode ser a colocação de uma fonte CC de 12 V em paralelo com o conversor. No caso deste interromper a alimentação, a fonte passa a suprir o sistema automaticamente. Essa última alternativa foi adotada de maneira provisória, até que se consiga aumentar a capacidade do conjunto. Durante a fase de concepção do projeto optou-se por não utilizar um equipamento conhecido como inversor de tensão. Esse dispositivo converte a tensão contínua de 12 V para uma tensão alternada de 127 V . Alguns dos elementos utilizados no sistema de hidroponia, como a bomba e as válvulas solenoide, são mais facilmente encontrados para a tensão alternada, além de serem mais baratos. De fato, uma bomba de 12 V pode custar até 4 vezes mais que uma de 127 V 5 . Por outro lado, o inversor é também um equipamento caro, podendo custar 4 http://tudohidroponia.net/como-produzir-mudas-para-hidroponia-passo-a-passo/ 5 Comparação

feita entre os produtos encontrados em http://produto.mercadolivre.com.br/MLB685941105-bomba-submersa-atman-at-303-600-lhora-disponivel-em-110v-JM e http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-694826948-bomba-de-agua-submersa-12v-dc-aquario-cervejaartesanal-JM

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mais de R$ 200,006 . Há também outro parâmetro a ser considerado, que é a eficiência de conversão. Assim, as duas opções tem lados positivos e negativos, além de serem viáveis de se implementar. Os primeiros testes com o modem GSM foram realizados com um chip SIM já em uso e mostraram que é possível enviar e receber SMSs, para o caso do SIM900. No entanto, ao se procurar uma operadora que ofereça serviços de SMS pré pago com melhor custo benefício, chegou-se à conclusão de que não é viável usar essa tecnologia. Isso porque as operadoras forçam seus usuários a colocarem créditos periodicamente, mesmo se os créditos anteriores ainda não acabaram. A grande vantagem do uso da tecnologia GSM é a grande área de cobertura das operadoras, principalmente em áreas urbanas, fazendo com que não seja necessário a instalação de equipamentos ou cabos, além do modem, para estabelecer o meio de comunicação. Por outro lado, o uso dessa tecnologia implica em gastos mensais e desnecessários. Por essa razão, decidiu-se não mais utilizar o modem GSM. A alternativa escolhida foi o emprego de um shield Wi-Fi7 . Através deste é possível criar uma aplicação que, conectada à internet, envie SMSs gratuitamente. Quanto aos preços, um shield GSM custa a partir de R$ 197,008 enquanto um shield Wi-Fi tem preços a partir de R$ 20,009 . É claro que agora passa a ser necessário a presença de sinal Wi-Fi no local em que está o sistema de hidroponia, para que a comunicação seja possível, o que pode implicar em custos adicionais. Até o momento em que este texto foi escrito, não foi possível realizar a aquisição do novo dispositivo, bem como sua utilização.

5.3

Resultado global do sistema

Quanto ao desempenho global do sistema, o fato de as plantas estarem se desenvolvendo, como mostra a Figura 4.4, indica que o sistema proveu condições favoráveis ao cultivo. Dentre os requisitos apresentados na Seção 3.1.1, o de número 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 11, 15, 16 e 18 foram plenamente atendidos. Os de número 8 e 10 foram parcialmente atendidos. Isso porque o volume do reservatório principal é de 20 L enquanto o sistema pode produzir até 29 plantas simultaneamente. Quanto à tubulação, ela é toda opaca, mas não foi possível protegê-la totalmente de insolação direta. Estes dois requisitos, no entanto, não afetam diretamente o desenvolvimento das plantas. O de número 17 não pode ser atendido até a data em que este texto foi escrito. Os demais requisitos, de número 12, 13 e 14, não foram contemplados nessa primeira versão do sistema de hidroponia automatizado. A Tabela 5.1 resume a situação de cada um dos requisitos. Quanto aos objetivos apresentados na Seção 1.2, pode-se concluir que todos foram atendidos, com exceção do que se refere ao controle de temperatura e pH da solução nutritiva, já que somente o controle da condutividade elétrica foi implementado, e do que se refere 6 http://minhacasasolar.lojavirtualfc.com.br/AddProduto.asp?IDProduto=3317800&IDLoja=14743na

7 Wi-Fi é uma marca utilizada por produtos certificados que pertencem à classe de dispositivos de rede local

sem fios (WLAN) baseados no padrão IEEE 802.11. Fonte: http://www.wi-fi.org/ 8 http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-717270683-arduino-pic-shield-modulo-gsm-gprs-sim900antena-_JM 9 http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-705794248-modulo-wifi-esp8266-ideal-p-arduino-pic-_JM

45

5.3. RESULTADO GLOBAL DO SISTEMA Tabela 5.1: Resumo da situação dos requisitos Requisito

Situação

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Atendido Atendido Atendido Atendido Atendido Atendido Atendido Parcialmente Atendido Atendido Parcialmente Atendido Atendido Não Atendido Não Atendido Não Atendido Atendido Atendido Não Atendido Atendido

à comunicação com o usuário, que depende da aquisição do módulo Wi-Fi. A Tabela 5.2 resume a situação dos objetivos. Tabela 5.2: Resumo da situação dos objetivos Objetivo Descrição 1 2 3 4 5 6 7

Situação

Permita o produção de 3 a 4 hortaliças por semana Atendido Demande o mínimo de intervenção do usuário Atendido Tenha um sistema de controle embarcado de baixo Atendido custo Realize o controle da temperatura, pH e condutivi- Parcialmente Atendido dade elétrica da solução nutritiva Controle o tempo de irrigação das plantas Atendido Avise o usuário quando uma intervenção é necessáNão Atendido ria Consiga realizar o controle do sistema mesmo no Atendido caso de falta de energia elétrica da concessionária

É importante ressaltar ainda, que apesar de o sistema de controle ser de baixo custo, os demais itens não necessariamente o são, como mostra o Anexo A. Isso porque o projeto tem caráter experimental e os custos não foram totalmente otimizados no sentido de reduzi-los.

46


Capítulo 6 Conclusões 6.1

Considerações Finais

As mudanças climáticas dos últimos anos têm diminuído a disponibilidade de recursos hídricos. Uma das principais atividades afetadas é a agricultura, que é uma das grandes consumidoras de água. Nesse contexto a hidroponia, apesar de ser uma técnica com mais de 50 anos, se adapta muito bem às condições de hoje, já que faz o uso racional de água, energia elétrica e insumos. Por essas e outras vantagens já citadas, o cultivo hidropônico vem se tornando muito popular. No entanto, uma pessoa que gostaria de cultivar verduras para consumo próprio, usando a hidroponia e sem dispender muito tempo dedicando-se a essa prática, não encontra soluções de mercado a preços acessíveis. Nesse sentido, o Desenvolvimento de um Sistema de Cultivo Hidropônico Automatizado apresentou algumas alternativas para a prática de hidroponia em pequena escala. É interessante ressaltar que as soluções de automação apresentadas não estão exclusivamente ligadas ao sistema desenvolvido e podem ser usadas em cultivos que utilizam outro tipo de estrutura física ou que não tenham alimentação por painel solar, por exemplo. Além disso, o projeto de sistemas embarcados é uma área bastante complexa, pois é multidisciplinar e apresenta características próprias. Dessa forma, a execução desse trabalho propiciou a consolidação de uma grande variedade de temas que foram estudados no curso de Engenharia de Controle e Automação. Adicionalmente, a montagem de um protótipo exigiu conhecimentos obtidos fora das salas de aula. Dentre os objetivos gerais e específicos, apresentados no Capítulo 1, somente dois não foram atingidos completamente. O primeiro deles é o de número 4, que se refere ao controle das condições da solução nutritiva, já que o controle de pH e temperatura da mesma não foram implementados. A justificativa é que depois de uma análise de custo versus benefício do controle dessas variáveis, chegou-se à conclusão de que não seria viável a aquisição e montagem de sensores e atuadores para esse fim. Foi considerado ainda que para pequenas varições dessas grandezas as condições para o desenvolvimento das plantas não são afetadas significativamente, como foi constatado no Capítulo 4. É importante ressaltar que esse resultado pode não ser verificado em outras regiões do país, pois variações de temperatura e 47

48

CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES

pH da água podem afetar significativamente o crescimento das plantas. O segundo objetivo que não foi alcançado é o de número 6. A causa foi o mau funcionamento do modem GSM adquirido, o que levou posteriormente a uma mudança no projeto. Ademais, não houve tempo hábil para realizar a nova aquisição de um módulo de comunicação. No entanto, o software desenvolvido leva em consideração essa funcionalidade, que pode ser facilmente implementada, desde que o módulo de comunicação esteja à disposição. A não execução dessa funcionalidade afeta parcialmente o objetivo 2. Isso porque mesmo não tendo que intervir no sistema, o usuário deve monitorá-lo periodicamente. Quanto aos demais objetivos, todos foram atingidos, podendo ser confirmados pela verificação do crescimento das plantas.

6.2

Propostas de Continuidade

A carência de produtos direcionados para a hidroponia em média e pequena escala no mercado trazem grandes motivações para a continuidade do trabalho. A primeira proposta é a implementação da funcionalidade de comunicação via Wi-Fi e o desenvolvimento de um aplicativo para smartphones que será usado para a interação entre o usuário e o sistema. Esse aplicativo poderá trazer diversas informações, como por exemplo, um histórico de temperatura da solução nutritiva. Com o propósito de alcançar todos os objetivos iniciais, devem ser implementados o controle de pH e temperatura da solução nutritiva, o que aumentará a eficiência do sistema hidropônico. Pode-se ainda melhorar o uso de sensores já instalados, como o de condutividade elétrica e o ultrassônico, fazendo com que suas medições sejam mais confiáveis. A colocação de uma interface local também é interessante, pois permitirá ao usuário realizar o controle e monitoração do sistema independentemente da presença de uma rede Wi-Fi. Pode-se avaliar também a possibilidade de não se utilizar as válvulas 3 e 4. Adicionalmente, o processo de germinação das sementes pode ser incluído no sistema. Também pode ser feita a adequação do sistema para o cultivos de diferentes espécies de hortaliças.

Referências Bibliográficas [Asumadu et al., 1996] Asumadu, J. a., Smith, B., Dogan, N. S., and Loretan, A. (1996). Microprocessor-Based Instrument for Hydroponic Growth Chambers Used in Ecological Life Support System. Proceedings - 1996 IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference , pages 325–329. [Ball, 2002] Ball, S. R. (2002). Embedded Microprocessor Systems: Real World Design. Newnes, third edition. [Benton Jones Jr, 1982] Benton Jones Jr, J. (1982). Hydroponics: Its History and Use in Plant Nutrion Studies. Journal of Plant Nutrition, 5(8):1003–1030. [Benton Jones Jr, 2014] Benton Jones Jr, J. (2014). Complete Guide for Growing Plants Hydroponically. CRC Press, Anderson, South Carolina. [Buede, 2009] Buede, D. M. (2009). The Engineering Design of Systems . John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2 edition. [Carrijo and Makishima, 2000] Carrijo, O. A. and Makishima, N. (2000). Princípios de Hidroponia. [Domingues et al., 2012] Domingues, D. S., Takahashi, H. W., Camara, C. a. P., and Nixdorf, S. L. (2012). Automated System Developed to Control pH and Concentration of Nutrient Solution Evaluated in Hydroponic Lettuce Production. Computers and Electronics in Agriculture, 84:53–61. [Furlani et al., 2009a] Furlani, P. R., Bolonhezi, D., Silveira, L. C. P., and Faquin, V. (2009a). Cultivo Hidropônico de Plantas: Parte 2 - Solução Nutritiva. [Furlani et al., 2009b] Furlani, P. R., Claudio, L., Silveira, P., and Faquin, V. (2009b). Cultivo Hidropônico de Plantas: Parte 1 - Conjunto Hidráulico. [Ganssle and Barr, 2003] Ganssle, J. and Barr, M. (2003). Embedded Systems Dictionary. CMPBooks. [IEEE, 1984] IEEE (1984). IEEE Guide to Software Requirements Specifications. [Junior et al., 2008] Junior, C. H., Rezende, R., Freitas, P. S. L., Gonçalves, A. C. A., and Frizzone, J. A. (2008). Influência da Condutividade Elétrica, Concentração Iônica e Vazão de Soluções Nutritivas na Produção de Alface Hidropônica. Ciência e Agrotecnologia, 32(4):1142–1147. 49

50

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[Martins et al., 2010] Martins, L. E. G., Júnior, R. d. S., Oliveira Jr, H. P., and Peixoto, C. S. A. (2010). TERASE: Template para Especificação de Requisitos de Ambiente em Sistemas Embarcados. [of ITU, 1999] of ITU, T. S. S. (1999). Specification and Description Language (SDL). [Phutthisathian et al., 2011] Phutthisathian, A., Pantasen, N., and Maneerat, N. (2011). Ontology-based nutrient solution control system for hydroponics. Proceedings - 2011 International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control, IMCCC 2011, (1):258–261.

[Portal Solar, ] Portal Solar. A Melhor Direção do Painel Solar Fotovoltaico. [Prates, 2012] Prates, L. d. A. (2012). Diretrizes para Desenvolvimento de Software para Sistemas Embarcados. Technical report, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte. [Raven et al., 1996] Raven, P. H., Evert, R. F., and Eichhorn, S. E. (1996). Biologia Vegetal - Raven.pdf . Ed. Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 5Âa edição edition. [Resh, 1998] Resh, H. M. (1998). Hydroponics: Questions and answers for successful growing. Woodbridge Press, Santa Barbara, CA. [Roberto, 2003] Roberto, K. (2003). How to Hidroponics. The Futuregarden Press, New York, fourth edition. [Saaid et al., 2013] Saaid, M. F., Yahya, N. a. M., Noor, M. Z. H., and Ali, M. S. a. M. (2013). A development of an automatic microcontroller system for Deep Water Culture (DWC). Proceedings - 2013 IEEE 9th International Colloquium on Signal Processing and its Applications, CSPA 2013, pages 328–332. [SAVADOGO, 2015] SAVADOGO, G. P. (2015). Tests and Specifications of a Solar Panel, Converter and Batteries Connected to a Hydroponic System. Technical report, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte. [Silva and Melo, 2003] Silva, A. and Melo, B. (2003). Hidroponia. [Tachikawa, 2008] Tachikawa, É. M. (2008). Automação de Técnica de Cultivos Hidropônicos. Technical report, Universidade São Francisco. [Velazquez et al., 2013] Velazquez, L. a., Hernandez, M. a., Leon, M., Dominguez, R. B., and Gutierrez, J. M. (2013). First advances on the development of a hydroponic system for cherry tomato culture. 2013 10th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control, CCE 2013, pages 155–159.

Anexo A Custos do projeto A Tabela A.1 mostra os principais custos do projeto. Os preços foram cotados no mercado nacional, sem considerar despesas de frete. Tabela A.1: Tabela dos Principais Custos do Projeto Item Valor Kit Caseiro de Hidroponia R$460,00 Bomba 12V R$149,80 Tubos e conexões R$45,79 Válvulas solenoide 12V R$28,65 Válvula solenoide automotiva R$45,00 Caixa de PVC (válvulas) R$19,95 Caixa de PVC (controlador) R$28,52 Fios e cabos R$65,10 Sensor ultrassônico R$8,15 Sensor de vazão R$39,90 Sensor de temperatura R$12,50 Sensor de nível R$18,00 Módulo de relés R$21,99 Módulo RTC R$9,45 Microcontrolador R$79,29 Conversor buck R$12,00 Painel Fotovoltaico R$229,90 Bateria 12V R$70,00 Conversor da bateria R$79,90

51

52

ANEXO A. CUSTOS DO PROJETO

Anexo B Formulários de coleta de requisitos Grande parte dos requisitos foram coletados através de formulários que foram respondidos por uma pessoa com profundos conhecimentos em cultivo hidropônico. Além disso, requisitos relativos ao usuário final foram coletados através do preenchimento de formulários pelo mesmo. A Tabela B.1 mostra o primeiro formulário elaborado, já com as respostas. O objetivo desse formulário foi o de fazer um levantamento dos principais características relevantes para o cultivo hidropônico. Foi ainda identificado a necessidade de realização do controle da condutividade elétrica da solução nutritiva, além da identificação de vazamentos. A partir do primeiro formulário, foi elaborado o segundo, com o objetivo de detalhar um pouco mais as características essenciais para o cultivo. Qual é a faixa ideal de temperatura em que a solução nutriente deve estar? Resposta: Próximo a 25 C . Não deve ser superior a 30 C ; • Qual é a faixa ideal de pH da solução nutriente? Resposta: Entre 5, 5 a 6, 5; • Quais são os nutrientes usados para compor a solução e qual a relação entre a concentração da solução e condutividade elétrica? Resposta: São 16 os elementos (carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio, magnésio, enxofre, manganês, zinco, ferro, boro, cobre, molibdênio, cloro); A condutividade elétrica (CE) ideal é na faixa de 1, 0 a 2, 0 mS/cm. Isso corresponde a 1.000 a 2.000 ppm de concentração de íons na solução; • Qual é a relação entre a concentração da solução nutritiva e a idade da planta? Resposta: Para hortaliças folhosas (como alface e rúcula) a concentração da solução é separada em duas: fase inicial (CE 1 mS/cm) para a fase adulta (CE 2, 5 mS/cm); • Qual é a quantidade ideal de solução nutriente por planta ou para o sistema como um todo? Resposta: Para folhosas recomenda-se 1 litro para cada planta; • Qual é a temporização ideal para a irrigação das plantas? Essa temporização muda em função da hora do dia? Resposta: Pode ser de 10 em 10, 15 em 15 ou 20 em 20 minutos. Em lugares muito quentes, recomenda-se 10 em 10 minutos. À noite o sistema pode funcionar por 10 a 15 minutos e parar por 4 a 5 horas. 53 •

◦

◦

54

ANEXO B. FORMULÁRIOS DE COLETA DE REQUISITOS

Tabela B.1: Primeiro formulário para a coleta de requisitos Requisitos Deveremos controlar a temperatura da solução nutriente? Deveremos controlar o PH da solução nutriente? Devemos controlar a quantidade de água dentro do reservatório? Devemos controlar a homogeneidade da solução nutriente dentro do reservatório? Devemos controlar a temporização da irrigação das plantas? Devemos controlar a vazão de solução em função da idade da planta? Devemos irrigar as plantas a noite? Devemos irrigar as plantas ao dia? Devemos variar a concentração da solução nutriente que irriga uma planta em função de sua idade? Devemos manter os nutrientes concentrados separados entre si antes de fazer a solução nutritiva? Devemos controlar a incidência e a quantidade de luminosidade natural? Devemos iluminar as plantas com luz artificial? Devemos controlar a umidade relativa do ar? Devemos controlar a temperatura ambiente dentro de uma estufa? Devemos controlar o tempo que cada planta leva para ser colhida? Devemos proteger o sistema de insetos voadores? Devemos proteger o sistema de insetos rasteiros e controle de pragas? Devemos projetar uma estufa? Devemos prover um meio para que o sistema funcione em caso de falta de energia elétrica?

É Necessário? S S S S S N S S S N N N N S N S S S S

55 Para o projeto da estufa, qual é o volume que a mesma deve ter? Existe algum tipo de material específico? Resposta: O tamanho da estufa varia de acordo com a quantidade de plantas. Lembro que a função da estufa é proteger o sistema todo de chuvas e pragas. Um cuidado especial que se deve ter é a distância entre as plantas e a cobertura da estufa. Não pode ser muito curta senão elevará a temperatura na parte aérea das plantas. Quanto ao material: estrutura metálica galvanizada (pode ser de madeira, mas os arcos tem que ser metálico por causa da curvatura necessária). A cobertura com agrofilme de 150 micra antigotejo e anti-raios ultra violeta; • Qual é a faixa de temperatura ideal que o ambiente dentro da estufa deve ter? Resposta: 25 a 30 C ; • Durante uma eventual queda de energia, por quanto tempo no máximo as plantas podem ficar sem irrigação? Resposta: Depende da temperatura do ambiente. Quanto estiver muito quente, em 30 minutos a plantas começam a murchar; • Qual é quantidade mínima de luz que as plantas devem receber? E o máximo? Resposta: As hortaliças necessitam de pelo menos 5 horas diária de luz. Quanto ao máximo 12 horas de luz; • Alguma das características acima tem uma tolerância ao erro muito baixa? Em outras palavras, alguma característica tem que estar fielmente dentro de sua faixa podendo causar sérios danos às plantas caso não seja obedecida? Resposta: O pH e a condutividade elétrica da solução nutritiva não deve sair da faixa citada; •

◦

O próximo formulário ainda teve o objetivo de esclarecer algumas dúvidas remanescentes no formulário anterior. •

•

•

Na prática, qual é a melhor maneira de se obter os nutrientes necessários para a composição da solução? Como melhor maneira entende-se de forma simples e barata, levando em consideração que o usuário final do sistema não necessariamente terá conhecimentos avançados em química. Resposta: Os sais para solução nutritiva devem ser relativamente puros (diferentemente dos sais dos fertilizantes comuns, que não exigem tanta pureza assim). Existem no mercado os kits que contem todos os elementos separadamente e que devem ser misturados ao ser preparada a solução. Se você quiser posso passar endereço de empresa especializada que vende esses sais para hidroponia; Uma vez adquiridos os nutrientes, como usá-los para compor a solução nutritiva? Na literatura existem várias fórmulas diferentes para a mesma cultura. Existe alguma diferença significativa na utilização das várias fórmulas? Resposta: Todas as fórmulas acabam fornecendo os mesmos elementos químicos. Por exemplo: Nitrato de amônio, sulfato de amônio, são duas formas diferentes de se fornecer o Nitrogênio. O segundo, além do N, fornece o enxofre; Qual é o procedimento para a realização da reposição dos nutrientes? Já que a condutividade elétrica não informa a concentração de nenhum elemento específico, deve-se considerar que as proporções dos nutrientes se mantiveram constantes? Resposta: O ideal é fazer a análise da solução e repor o que falta. Mas é relativamente cara as análises, especialmente as do micronutrientes. De forma grosseira o produtor utiliza mesmo o condutivímetro;

56

ANEXO B. FORMULÁRIOS DE COLETA DE REQUISITOS •

É recomendável usar a água fornecida pela companhia de abastecimento para fazer a solução nutritiva? Resposta: A princípio, toda água potável pode ser utilizada para hidroponia;

•

Para a correção do pH, quais seriam os produtos mais indicados? Resposta: Para baixar o pH o ácido muito utilizado é o ácido fosfórico. Para elevar o pH a base mais utilizada é o hidróxido de sódio. São adicionados em pequenos volumes. Obviamente, são produtos que merecem ser manejados de forma cuidadosa;

•

A solução nutritiva deve ser totalmente renovada de tempo em tempo? Resposta: Em locais muito quentes, a cada ciclo da cultura (mais ou menos 55 dias) a solução é trocada. Em locais amenos, a cada 90 dias;

•

Como identificar a idade da planta? Resposta: Isso para saber o ponto de colheita? No caso de alface, varia em função da temperatura ambiente e da variedade. O ciclo varia de 50 a 70 dias;

•

No caso de plantas de diferentes idades forem nutridas com a mesma solução, há algum prejuízo significativo ao desenvolvimento das mesmas? Resposta: No cultivo comercial de folhosas como a alface, utiliza-se duas soluções diferentes quanto à concentração. Um a meia força (50% da concentração ideal) para a plantas novas e a outra a 100% do recomendado, paras a plantas adultas. Isso é recomendado para economizar sais. Mas, caso queira utilizar apenas uma solução nutritiva, não tem problema. As plantas novas não vão morrer por se desenvolverem na solução de plantas adultas;

•

Como saber quando a planta chegou no ponto de colheita? Por quanto tempo, depois que ela chegou nesse ponto, ela pode ficar no sistema? Resposta: No sistema hidropônico, as plantas não esperam para serem colhidas. A alface pode se perder da noite para o dia. Se chegar no ponto de colheita, deve ser colhida.

Por fim, o formulário a seguir foi respondido pelo usuário final do sistema. O objetivo foi o de identificar as necessidades e expectativas do usuário em relação ao sistema. Deve ficar claro que não necessariamente todos os requisitos colocados foram atendidos, seja devido à inviabilidade técnica ou financeira.

•

Qual ou quais os tipos de hortaliça deseja cultivar? Resposta: Alface, rúcula, agrião, azedinha. Qualquer uma dessas ou quaisquer duas desde que sejam compatíveis de serem cultivadas com a mesma solução;

•

Em média, quantas plantas deseja colher por mês? Resposta: 8 a 10 hortaliças;

•

Qual é a sua expectativa em relação à autonomia do sistema? Em outras palavras, qual é o nível de automação esperado para o sistema? Resposta: Espero receber no meu telefone via SMS, informações de necessidade de manutenção humana (falta de nutrientes, falta de água no reservatório, falta de energia eminente, avaria na bomba, avaria nos sensores, avaria em válvulas, limpeza preventiva) e colheita das hortaliças;

•

Qual é a sua disponibilidade diária ou semanal para interagir com o sistema? Resposta: Disponibilidade para transferir mudas e colheita. Intervenções humanas manuais muito eventualmente;

57 Deseja consultar/monitorar o estado do sistema através de uma interface local e/ou remota? Caso positivo, a que tipo de informação deseja ter acesso? Resposta: Remota. Vide informações da pergunta anterior. Gostaria ainda de receber via SMS quais tipos de plantas vou colher e quando. Esse pacote de dados com frequência programável pelo usuário; • Como deseja ser notificado que uma intervenção no sistema é necessária? Através de alarmes visuais e/ou sonoros, locais e/ou remotos? Resposta: Remotos via SMS; • Quais são as dimensões esperadas que o sistema tenha? Resposta 120 cm × 120 cm × 120 cm; • No caso de acesso remoto ao sistema, qual o meio de comunicação que deseja utilizar (GPRS, WIFI, rádio frequência ou algum outro)? Resposta: GPRS ou qualquer tecnologia compatível para envio de SMS via telefonia celular 3G ou 4G; • O local onde deseja colocar o sistema recebe iluminação natural direta? Caso positivo, por quantas horas diárias? Resposta: Sim. Cerca de 10 h por dia; • Existe outra necessidade, desejo ou expectativa não abordado por nenhuma das questões acima? Caso positivo, qual(is)? Resposta: Não. •

58

ANEXO B. FORMULÁRIOS DE COLETA DE REQUISITOS

Anexo C Especificações dos componentes Válvula solenoide •

Materiais - Corpo: termoplástico; Partes metálicas: aço zincado; Membrana: borracha; Terminais: Latão;

•

Pressão de operação: de 0, 2 à 4kgf/cm2 ;

•

Temperatura máxima do líquido: 60 C ;

•

◦

Conexão: rosca para tubo de 1/2”;

•

Disposição geométrica em relação à entrada: reta;

•

Número de entradas e saídas: 1 entrada e 1 saída;

•

Vida útil: 50.000 operações;

•

Tipo de terminal de alimentação: Faston 6, 3mm × 0, 8mm;

•

Tensão de alimentação: 12V CC;

•

Corrente nominal: 0, 6A;

•

Modo de operação: Normalmente fechado;

Bomba •

Dimensões: 9 × 5 × 7cm;

•

Tensão de alimentação: 12V CC;

•

Corrente nominal: 1, 05A;

•

Conexão: rosca para tubo de 1/2”;

•

Capacidade: 600L/h;

•

Vida útil: 20.000h;

•

Tipo de motor: brushless;

•

Tipo de bomba: centrífuga;

•

Índice de proteção: IP68; 59

60

ANEXO C. ESPECIFICAÇÕES DOS COMPONENTES

Sensor de Nível tipo Boia

Material: PPA - Poliftalamida; • Temperatura de trabalho: −10 C a 125 C ; • Densidade Mínima do Líquido (SG): 0,7; • Saída Elétrica: Contato ON/OFF (NA/NF SPST); 2 • Conexão Elétrica: Cabo 40 cm (2 × 0, 5 mm × 4 0cm); • Índice de Proteção: IP66; • Montagem: Lateral externa em furo de 22 mm; • Vedação: Arruela expansiva NBR (borracha nitrílica); • Espessura máxima da parede do reservatório: 5 mm ; • Raio mínimo de reservatório cilíndrico: 50 mm; • Potência máxima de comutação em 5Vdc: 2, 5 W ; • Potência máxima de comutação em 12Vdc: 5 W . •

◦

◦

Sensor Ultrassônico

Alimentação: 5 V DC; • Corrente de operação: 2 mA; • Ângulo de efeito: 15 ; • Alcance: 2 cm a 4 m ; • Precisão: 3 mm; •

◦

Sensor de Vazão

Modelo: YF-S201; • Tipo de sensor: Efeito Hall; • Tensão de operação: 5 a 18 V ; • Corrente máxima: 15 mA (5 V ); • Faixa de fluxo: 1 a 30 L/min; • Pressão máxima: 2, 0 M P a; • Pulsos por litro: 450; • Frequência (Hz) = 7, 5 × Fluxo (L/min); • Temperatura de trabalho: −25 a 80 C ; • Exatidão: 10%; • Comprimento do cabo: 15 cm ; • Dimensão conexão: 1/2”; • Dimensão diâmetro interno: 0, 78”; • Dimensão externa: 2, 5” × 1, 4” × 1, 4”. •

◦

61 Sensor de Temperatura

Chip: DS18B20; • Tensão de operação: 3 a 5, 5 V ; • Faixa de medição: −55 C a 125 C ; • Precisão: ±0.5 C entre −10 C e 85 C ; • Ponta de aço inoxidável; • Dimensão ponta de aço: 6 × 50 mm ; • Dimensão do cabo: 100 cm ; • Interface de 1 fio. •

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◦

◦

◦

◦

Conversor buck

Tensão de saída: 1, 25 V a 26 V ; • Tensão de entrada: 3, 5 V a 28 V ; • Corrente máxima de entrada: 3 A ; • Corrente máxima de saída: 3 A . •

Painel Solar

Modelo: ST M30; • Potência de Pico: 30 W ; • Tensão máxima: 18, 50 V ; • Corrente máxima: 1, 622 A; • Tensão de circuito aberto: 22, 10 V ; • Corrente de curto-circuito: 1, 792 A ; • Tolerância para potência ±3%; • Tensão máxima do sistema: 600 V ; • Número de diodos bypass: 0 . •

Conversor do conjunto fotovoltaico

Corrente de carga: 10 A; • Tensão de trabalho: 12 V ; • Corrente sem carga: 6 mA ; • Queda de tensão no circuito em carregamento: 0, 26 V ; • Queda de tensão no circuito em carga: 0, 15 V ; • Proteção para sobretensão: 17 V ; • Temperatura de trabalho: −35 C a 55 C ; • Modo de controle: modo de carga PWM. •

◦

◦

Desenvolvimento de um Sistema de Cultivo Hidropônico Automatizado

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