Desenvolvimento de sensor de teor de água do solo e de sistema de controle e automação em malha fechada para uso em irrigação

Abstract

Cada vez mais a água doce se torna escassa em todo o mundo e, diante desse problema, neste trabalho propõe-se desenvolver uma tecnologia visando utilizá-la de forma racional e inteligente em sistemas de irrigação. Tanto o excesso quanto a falta de água são fatores que afetam a produtividade das lavouras irrigadas e, conseqüentemente, o retorno econômico desse sistema de produção. Portanto, é interessante estabelecer um ponto ótimo entre a quantidade mínima de água aplicada e a máxima produtividade da cultura. Neste trabalho, foram desenvolvidos sensores do teor de água do solo, dois tipos de circuito de medição, um painel eletrônico gerenciador do acionamento do sistema de irrigação e uma rede sem fio para realizar a transmissão dos dados dos sensores até o painel. Portanto, o acionamento do sistema de irrigação será feito em malha fechada e em tempo real, de acordo com a avaliação do teor de água do solo. Os sensores foram construídos com três hastes paralelas de aço inoxidável, sustentados por resina de poliéster em sua parte superior. O seu princípio de funcionamento é baseado na capacitância de um capacitor, tendo como dielétrico o material de solo entre as hastes que formam os sensores. Assim, quando houver variação na constante dielétrica do solo localizado entre as hastes, devido à presença de água, a capacitância do sensor também irá variar. Dois tipos de revestimentos para isolar as hastes dos sensores foram testados: (i) verniz isolante do tipo usado em enrolamentos de motor e (ii) massa epóxi. Dois tipos de circuito de medição do sinal dos sensores foram avaliados: (i) ponte de corrente alternada e (ii) oscilador. Ambos os circuitos possuem um microcontrolador, que disponibiliza o seu sinal no formato digital para a rede sem fio. O painel de controle também foi baseado em um microcontrolador, além de botões, visor de cristal líquido e relés de estado sólido para o acionamento do conjunto moto-bomba e das válvulas direcionadoras do fluxo de água do sistema de irrigação. Na rede sem fio foi utilizada topologia estrela. Deste modo, o painel comunica-se diretamente com cada sensor, que possui endereço fixo. No seu algoritmo, foi implementado um sistema mestre-escravo. Portanto, o painel (mestre) solicita o dado de determinado sensor (escravo) por meio do seu endereço. Em seguida, o sensor responde ao pedido com a medição do teor de água do solo. São realizadas três tentativas de pedido, retornando sinal de falha no caso em que todas elas fracassarem. Portanto, são armazenados, temporariamente, dois vetores na memória do microcontrolador do painel: (i) um vetor de dados dos sensores e (ii) um vetor indicando possível falha na transmissão. Desenvolveu-se também, neste algoritmo, a possibilidade de repetição do sinal. Neste caso, para os sensores mais distantes, o pedido e a resposta são retransmitidos pelo circuito de um sensor mais próximo do painel. Os dois tipos de sensores foram calibrados tomando-se como referência o método padrão de estufa. Foram colocadas três amostras de material de solo Neossolo Quartzarênico, de propriedades físico-químicas conhecidas, em três recipientes de volume conhecido. Essas amostras foram saturadas e, em seguida, um sensor foi inserido em cada amostra e foram medidos o seu sinal de saída no circuito eletrônico e a massa da amostra. Em seguida, as amostras foram colocadas em uma estufa para secagem. O mesmo procedimento foi realizado diariamente, até que a variação da quantidade de água nas amostras de solo se tornasse, praticamente, constante. No fim do experimento, obteve-se a massa de solo seco e, a partir deste dado, o teor de água do solo para cada medição. Por fim, ajustou-se um modelo matemático para estimar o teor de água do solo a partir da correlação entre os dados do método de referência (padrão de estufa) com os dados medidos pelo circuito eletrônico. No experimento utilizando sensores com hastes recobertas por verniz isolante, obteve-se um coeficiente de determinação de 93,17% e uma precisão nas medidas de -1±0,010kgkg. No experimento utilizando sensores com hastes recobertas por massa epóxi, não foi possível ajustar qualquer modelo matemático aos dados experimentais. Com base nos resultados obtidos, concluiu-se que o sensor com hastes recobertas por verniz isolante e seu circuito de medição podem ser utilizados na automação de sistemas de irrigação, juntamente com o painel controlador e a rede sem fio para transmissão de dados.

Fresh water becomes increasingly scarce in the world, and for dealing with this problem, in this work it is proposed to develop a technology aiming to use it in a rational and intelligent way in irrigation systems. Both excess and deficit of water are factors that affect the productivity of irrigated crops and, consequently, the economic return of this production system. Therefore, it is interesting to establish an optimal point between the minimum amount of water applied and the maximum yield. In this work, there were developed sensors of soil water content, two types of measurement circuit, an electronic panel for controlling and management of the irrigation system, and a wireless network for transmission of data from the sensors to the panel. Therefore, the actuation on of the irrigation system (turn it on or off) will be done in closed loop, and in real-time, according to the evaluation of the soil water content. The sensors were constructed with three parallel stainless steel rods, supported by polyester resin at the top. Its working principle is based on the capacitance of a capacitor, with the dielectric been the soil material between the rods that form the sensors. Thus, when there is variation in the dielectric constant of the soil located between the rods, due to the presence of water, the capacitance of the sensor will also vary. Two types of coatings to insulate the sensors rods were tested: (i) insulating varnish of the type used in motor windings and (ii) epoxy paste. Two types of circuit for measuring the signal from the sensors were evaluated: (i) ac bridge and (ii) oscillator. Both circuits have a microcontroller, which provides its signal in digital format for the wireless network. The control panel was also based on a microcontroller, plus buttons, liquid crystal display, and solid state relays for actuation on the pump-motor set and on the valves that direct the flow of water of the irrigation system. The wireless network was configures using star topology. Thus, the panel communicates directly with each sensor, which has a fixed address. In his algorithm was implemented a master-slave system.Therefore, the panel (master) requests the data of a given sensor (slave) through its address. Then, the sensor responds to the request with the measurement of the water content of soil. Three requests attempts are made, returning fault signal in case they all fail. So, two vectors are temporarily stored in the memory of the panel microcontroller: (i) a vector containing the sensor data and (ii) a vector indicating a possible failure of the transmission. It was also developed in this algorithm the possibility of repeating the signal. In this case, for more remote sensors the request and response are retransmitted by the circuit of a sensor closer to the panel. The two types of sensors were calibrated using the standard oven method as reference. Three samples of Neossolo Quartzarênico soil material of known physical and chemical properties were placed in three recipients of known volume. These samples were saturated and then a sensor was inserted in each sample and its output signal was measured in the electronic circuit, and the mass of the sample was also determined. Then the samples were placed in an oven for drying. The same procedure was performed daily until the variation of the amount of water in the soil samples became practically constant. At the end of the experiment the mass of dried soil was obtained, and from these data the water content of the soil was determined for each measurement. Finally, a mathematical model was fitted to estimate the soil water content from the correlation between the data of the reference method (standard oven method) with the data measured by the electronic circuit. In the experiment using sensors with the rods covered with insulating varnish, it was obtained a coefficient of determination of 93.17% and precision in the measures of -1±0.010kgkg. In the experiment using sensors with rods coated with epoxy paste, it was not possible to fit a mathematical model to the experimental data. Based on these results, it was concluded that the sensor with rods covered with insulating varnish and its measurement circuit can be used in the automation of irrigation systems, along with the controller panel and wireless network for data transmission.