Desenvolvimento de Hardware para uma Sonda
Multi-Funcional de Medi»c~
ao Simult^
anea do
¶
Conte¶
udo de Agua,
Propriedades T¶
ermicas e
Condutividade El¶
ectrica do Solo
Por
Vasco Adriano Machado Ferreira
Orientador: Ant¶onio Lu¶‡s Gomes Valente
Co-orientador: Raul Morais dos Santos
Disserta»c~ao submetida a
¶
UNIVERSIDADE DE TRAS-OS-MONTES
E ALTO DOURO
para obten»c~ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot¶ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no
DR { I s¶erie{A, Decreto-Lei n.o 74/2006 de 24 de Mar»co e no
Regulamento de Estudos P¶os-Graduados da UTAD
DR, 2.a s¶erie { Delibera»c~ao n.o 2391/2007
Desenvolvimento de Hardware para uma Sonda
Multi-Funcional de Medi»c~
ao Simult^
anea do
¶
Conte¶
udo de Agua,
Propriedades T¶
ermicas e
Condutividade El¶
ectrica do Solo
Por
Vasco Adriano Machado Ferreira
Orientador: Ant¶onio Lu¶‡s Gomes Valente
Co-orientador: Raul Morais dos Santos
Disserta»c~ao submetida a
¶
UNIVERSIDADE DE TRAS-OS-MONTES
E ALTO DOURO
para obten»c~ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot¶ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no
DR { I s¶erie{A, Decreto-Lei n.o 74/2006 de 24 de Mar»co e no
Regulamento de Estudos P¶os-Graduados da UTAD
DR, 2.a s¶erie { Delibera»c~ao n.o 2391/2007
Orienta»ca
~o Cient¶‡flca :
Ant¶
onio Lu¶‡s Gomes Valente
Professor Auxiliar do
Departamento de Engenharias
Universidade de Tr¶as-os-Montes e Alto Douro
Raul Morais dos Santos
Professor Auxiliar do
Departamento de Engenharias
Universidade de Tr¶as-os-Montes e Alto Douro
v
Do sonho a realidade
H¶
a um instante que quero que agarres
E te leve em pura felicidade,
Por todos os caminhos que conquistares.
Jo~
ao A. Peixoto
A minha namorada Filipa
Aos meus av¶os, Lurdes e Avelino
Ao meu irm~ao Jo~
ao
Aos meus pais, J¶
ulia e Manuel
vii
¶
UNIVERSIDADE DE TRAS-OS-MONTES
E ALTO DOURO
Mestrado em Engenharia Electrot¶ecnica e de Computadores
Os membros do J¶
uri recomendam a Universidade de Tr¶as-os-Montes e Alto Douro a
aceita»ca~o da disserta»ca~o intitulada \ Desenvolvimento de Hardware para uma
¶
Sonda Multi-Funcional de Medi»c~
ao Simult^
anea do Conte¶
udo de Agua,
Propriedades T¶
ermicas e Condutividade El¶
ectrica do Solo" realizada por
Vasco Adriano Machado Ferreira para satisfa»c~ao parcial dos requisitos do grau
de Mestre.
Dezembro 2008
Presidente:
Salviano Soares Filipe Pinto Soares,
Direc»c~ao do Mestrado em Engenharia Electrot¶ecnica e de
Computadores do Departamento de Engenharias da Universidade
de Tr¶as-os-Montes e Alto Douro
Vogais do J¶
uri:
Jos¶
e Carlos Meireles Monteiro Metr^
olho,
Professor Adjunto do Instituto Polit¶ecnico de Castelo Branco Escola Superior de Tecnologia
Ant¶
onio Lu¶‡s Gomes Valente,
Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da
Universidade de Tr¶
as-os-Montes e Alto Douro
Raul Morais dos Santos,
Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da
Universidade de Tr¶
as-os-Montes e Alto Douro
ix
Desenvolvimento de Hardware para uma Sonda Multi-Funcional de
¶
Medi»c~ao Simult^anea do Conte¶
udo de Agua
no Solo, Propriedades
T¶ermicas e Condutividade El¶ectrica do Solo
Vasco Adriano Machado Ferreira
Submetido na Universidade de Tr¶
as-os-Montes e Alto Douro
para o preenchimento dos requisitos parciais para obten»c~
ao do grau de
Mestre em Engenharia Electrot¶ecnica
Resumo | Os modernos sistemas de gest~ao de processos agr¶‡colas requerem o uso
de um n¶
umero cada vez maior e mais espec¶‡flco de sensores que permitam estimar
o desenvolvimento das culturas. A instrumenta»ca~o tradicional, baseada em solu»co~es
discretas com cablagem, n~ao ¶e a mais apropriada para estruturas agr¶‡colas devido,
sobretudo, as ¶areas geogr¶aflcas que podem estar envolvidas. Al¶em disso, as t¶ecnicas
de controlo baseadas na resposta flsiol¶ogica das plantas requerem a monitoriza»ca~o de
par^ametros extra¶‡dos das pr¶oprias plantas. Par^ametros como o teor de ¶agua no solo
junto as ra¶‡zes, concentra»ca~o de nitratos e de poluentes, propriedades t¶ermicas, e o
uxo de ¶agua/nutrientes no solo, s~ao algumas das grandezas que podem ser obtidas
por uma sonda multi-funcional com comunica»c~oes sem flos.
Os sensores baseados no m¶etodo do pulso de calor diferem de outros instrumentos
no facto de poderem medir simultaneamente e automaticamente em v¶arias situa»c~oes
o teor de ¶agua no solo, propriedades t¶ermicas e a condutividade el¶ectrica do solo.
Actualmente uma variada gama de sensores de humidade do solo, no geral, apresentam v¶arias limita»co~es nomeadamente, a depend^encia com o tipo de solo e a aquisi»ca~o
de dados com cablagem, a imprecis~ao, o alto custo, entre outras, que restringem a
sua aplica»ca~o a sistemas de gest~ao de processos agr¶‡colas.
Neste trabalho foi desenvolvido e implementado uma sonda multi-funcional, baseada no m¶etodo do pulso de calor, de medi»ca~o simult^anea do teor de ¶agua, propriedades t¶ermicas e condutividade el¶ectrica do solo, constitu¶‡da por circuitos de
processamento de sinal, um m¶odulo que incorpora um microcontrolador e recursos
de comunica»ca~o sem flos com protocolo ZigBee e alimentada por bateria e painel
solar, com o objectivo de obter, tanto quanto poss¶‡vel, um sensor de baixo custo,
auto-suflciente, preciso e fl¶avel. Os dados obtidos s~ao enviados para uma esta»ca~o de
controlo atrav¶es de uma liga»c~ao por r¶adio-frequ^encia de baixa pot^encia.
Palavras Chave: Sensor de humidade do solo, condutividade el¶ectrica, pulso de
calor, transmiss~ao por r¶adio-frequ^encia, teor de ¶agua no solo;
i
Hardware Development for a Multi-Functional Probe of
Simultaneous Measurement Soil Water Content, Thermal Properties
and Soil Electric Conductivity
Vasco Adriano Machado Ferreira
Submitted to the University of Tr¶
as-os-Montes and Alto Douro
in partial fulflllment of the requirements for the degree of
Master in Electrical Engineering
Abstract | The modern management systems of agricultural processes require
the use of an increasing number of sensors and more speciflcally for estimating
crop development. The traditional instrumentation, based on discrete solutions
with wiring, is not the most appropriate due to agricultural structures, over all, the
geographic areas that may be involved. Moreover, the techniques of control based on
the physiological response of plants require the monitoring of parameters extracted
from the plant. Parameters such as soil water content near the roots, concentrations
of nitrates and pollutants, thermal properties, and the ow of water/nutrients in the
soil, are some of the quantities that can be obtained by a multi-functional probe with
wireless communications.
The sensors based on the heat-pulse method difiers from other tools that they can simultaneously measure in several situations and automatically the soil water content,
electrical conductivity and soil thermal properties.
Currently a wide range of sensors, soil moisture, in general, have several limitations
in particular, the dependency on the soil type and the acquisition of data with
wiring, the imprecision, the high cost, among others, which restrict its application
to systems management of agricultural processes.
This work was developed and implemented a multi-functional probe, based on the
heat-pulse method for simultaneous measurement of soil water content, electrical
conductivity and soil thermal properties, constituted by signal-processing circuits, a
module that incorporates a microcontroller and resources for wireless communication
with ZigBee protocol and powered by battery and solar panel, with the objective
to get, as much as possible, a low cost sensor, self-su–cient, accurate and reliable.
The data obtained are sent to a station for monitoring and storage via a link by
radio-frequency low power.
Key Words: Soil moisture sensor, electrical conductivity, heat pulse, wireless communications, and soil water content;
iii
Agradecimentos
Ao iniciar este trabalho n~ao queria deixar de agradecer a todos aqueles que, de algum modo, t^em contribu¶‡do para que este projecto seja concretizado.
As minhas palavras de apre»co ao Professor Doutor Ant¶onio Lu¶‡s Gomes Valente,
orientador deste trabalho, pela sua gentileza, orienta»c~ao e conflan»ca em mim depositada ao longo da sua realiza»c~ao, pelas revis~oes e sugest~oes efectuadas. O meu
apre»co pela sua amizade e apoio no decorrer deste u
¶ltimo ano.
Gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos ao Professor Doutor Raul
Morais dos Santos na qualidade de co-orientador deste trabalho, pela sua disponibilidade em proporcionar as melhores condi»co~es para a evolu»ca~o deste trabalho.
Ao colegas Alexandre Peixoto, Samuel Matos e Miguel Fernandes e assim como todos
os outros colegas pelo apoio constante, camaradagem e amizade demonstradas desde
sempre.
Ao professor doutor Jan Hopmans e ao professor doutor Atac Tuli do departamento
de solos e hidrologia da Universidade da Calif¶ornia na cidade de Davis pela disponibilidade na ced^encia do laborat¶orio para efectivar os testes deste trabalho, bem
como, pela colabora»ca~o e ajuda prestada no fornecimento dos solos.
v
A minha fam¶‡lia, namorada, pelo apoio, amizade, compreens~ao e companheirismo
que me foi dado durante o tempo em que realizei este projecto.
Institucionalmente, os meus agradecimentos ao Magniflco Reitor da Universidade de
Tr¶as-os-Montes e Alto Douro, Professor Doutor Mascarenhas Ferreira, bem como ao
pessoal administrativo, pelas facilidades concedidas e meios colocados a disposi»c~ao
para a realiza»ca~o deste trabalho.
A todos, bem hajam !
UTAD, Vila Real
Vasco Adriano Machado Ferreira
13 de Novembro, 2008
vi
¶Indice
Resumo
i
Abstract
iii
Agradecimentos
v
Lista de tabelas
viii
Lista de flguras
ix
Lista de s¶‡mbolos
xiii
1 Introdu»c~
ao
1.1 Grandezas f¶‡sicas e qu¶‡micas de interesse
1.1.1 Temperatura do solo . . . . . . .
1.1.2 Teor de ¶agua no solo . . . . . . .
1.1.3 Condutividade el¶ectrica do solo .
1.2 Motiva»ca~o e objectivos . . . . . . . . . .
1.3 Organiza»c~ao da tese . . . . . . . . . . . .
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1
2
3
5
7
8
11
2 Dispositivos de Medi»c~
ao das Propriedades do Solo
13
2.1 Dispositivos baseados no pulso de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Outros dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
vii
3 Metodologias para Medi»c~
ao das Propriedades do Solo
3.1 M¶etodos de medi»ca~o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Propriedades t¶ermicas e conte¶
udo de ¶agua no solo . . . .
3.2.1 Pulso de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Condutividade el¶ectrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Rela»ca~o entre a EC e o conte¶
udo de ¶agua no solo
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22
22
25
26
29
4 Concep»c~
ao e Implementa»
c~
ao
4.1 Arquitectura proposta . . . . . . . . . . .
4.2 Projecto da sonda . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Unidade central de processamento . . . . .
4.3.1 Topologia da rede proposta . . . .
4.3.2 Microcontrolador . . . . . . . . . .
4.4 Blocos funcionais . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 Medi»ca~o da temperatura . . . . . .
4.4.2 Medi»ca~o da condutividade el¶ectrica
4.4.3 Controlo e protec»c~ao do aquecedor
4.5 Convers~ao anal¶ogico-digital . . . . . . . .
4.6 Condutividade . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7 M¶odulo de alimenta»c~ao e gest~ao de energia
4.7.1 Conversores DC-DC . . . . . . . .
4.7.2 Tens~ao de refer^encia . . . . . . . .
4.7.3 Controlador de carga . . . . . . . .
4.7.4 Redu»ca~o de consumo . . . . . . . .
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41
41
43
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45
46
55
55
56
5 Resultados Experimentais e Discuss~
ao
5.1 Calibra»c~ao do espa»camento dos sensores
5.2 Teste do pulso de calor . . . . . . . . . .
5.2.1 Descri»ca~o dos solos . . . . . . . .
5.2.2 Procedimentos . . . . . . . . . .
5.2.3 Propriedades t¶ermicas . . . . . .
5.3 Calibra»c~ao da condutividade el¶ectrica . .
5.4 Autonomia e consumo . . . . . . . . . .
5.5 Alcance das comunica»co~es . . . . . . . .
5.6 Prot¶otipo . . . . . . . . . . . . . . . . .
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60
62
63
64
64
66
69
71
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6 Conclus~
oes Finais e Trabalho futuro
73
Refer^
encias bibliogr¶
aflcas
77
viii
¶Indice de tabelas
4.1
Tens~oes da DAC para controlar a tens~ao pretendida para o pulso de
calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2
Tabela dos consumos te¶oricos dos dispositivos. . . . . . . . . . . . . . 57
5.1
Calibra»c~ao do espa»camento efectivos das agulhas para o pulso de calor
com 9 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2
Calibra»c~ao do espa»camento efectivos das agulhas para o pulso de calor
com 12 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3
Tabela da corrente m¶edia durante um per¶‡odo de 7350 s. . . . . . . . 70
ix
¶Indice de flguras
1.1
Zona n~ao Saturada e Zona Saturada no subsolo. . . . . . . . . . . . .
9
1.2
Exemplo de sondas multi-funcionais propostas . . . . . . . . . . . . . 10
1.3
Sonda Multi-Funcional proposta para a realiza»ca~o deste trabalho. . . 11
2.1
Sonda de duas agulhas apresentada por Campbell. . . . . . . . . . . . 14
2.2
Sonda de quatro agulhas apresentada por Bristow. . . . . . . . . . . . 15
2.3
Sonda multi-funcional apresentada por Mori. . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4
Sonda Multi-Funcional proposta por Valente. . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5
Exemplo de um sensor de humidade (thermo-TDR) com um datalogger. 17
3.1
Sonda de duas agulhas para medi»ca~o do pulso de calor. . . . . . . . . 25
3.2
Exemplo da resposta da temperatura no sensor depois da aplica»c~ao
de um pulso de calor de 8 s no aquecedor. . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3
Movimenta»ca~o dos i~oes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4
Diagrama simpliflcado do m¶etodo de dois el¶ectrodos para medi»c~ao da
EC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5
Diagrama simpliflcado do m¶etodo de quatro el¶ectrodos para medi»ca~o
da EC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.6
M¶etodo de Wenner array. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
xi
4.1
Arquitectura proposta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2
Constitui»c~ao da sonda multi-funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3
Constitui»c~ao da unidade central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.4
Diagrama de blocos do microcontrolador. . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.5
Diagrama da topologia em malha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.6
Microcontrolador JN5139. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.7
Medi»c~ao da temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.8
Medi»c~ao da condutividade el¶ectrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.9
Controlo do aquecedor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.10 Diagrama de blocos do MCP3421. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.11 Diagrama de blocos do OPA4336. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.12 Diagrama funcional do m¶odulo de gest~ao de energia. . . . . . . . . . . 46
4.13 Conflgura»ca~o do conversor DC-DC Step-Up MAX8715. . . . . . . . . 51
4.14 Conflgura»ca~o do conversor DC-DC Step-Down MAX1921. . . . . . . . 54
4.15 Conflgura»ca~o do LM4128. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.16 Controlador de carga da bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1
Fotograflas da constitui»ca~o da sonda multi-funcional . . . . . . . . . . 60
5.2
Fotografla do m¶etodo de calibra»ca~o na solu»ca~o de agar. . . . . . . . . 61
5.3
Medi»c~ao da resposta em temperatura para a determina»ca~o de refi na
solu»c~ao de agar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4
Fotograflas do sistema experimental de calibra»ca~o . . . . . . . . . . . 64
5.5
Respostas t¶ermicas para v¶arios valores de teor de ¶agua do solo para
Tottori e Columbia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.6
Fotografla do m¶etodo de calibra»ca~o da condutividade el¶ectrica. . . . . 66
5.7
Calibra»c~ao da condutividade el¶ectrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.8
Acumula»c~ao de i~oes na superf¶‡cie do el¶ectrodo. . . . . . . . . . . . . . 67
5.9
Resist^encia de polariza»ca~o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.10 Fotografla do teste realizado ao alcance das comunica»co~es. . . . . . . 71
5.11 Fotograflas da sonda multi-funcional proposta. . . . . . . . . . . . . . 72
6.1
Proposta de um sistema port¶atil para a medi»ca~o das propriedades do
solo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
xii
Lista de s¶‡mbolos
S¶‡mbolo
Descri»
c~
ao
Unidades
EC
Condutividade El¶ectrica
|
HPP
Heat-Pulse Probe
|
DHP
Dual-Probe Heat-Pulse
|
MFHPP
Multi-Functional Heat-Pulse Probe
|
I
Corrente el¶ectrica
A
V
Tens~ao el¶ectrica
V
R
Resist^encia el¶ectrica
›
G
Condut^ancia
S
K
cm¡1
a
Constante da c¶elula de medi»c~ao
¶
Area
efectiva dos el¶ectrodos
cm2
e
Dist^ancia entre os el¶ectrodos
cm
Condutividade
S=cm
RSOL
Resist^encia da solu»c~ao
›
REL
Resist^encia causada pela polariza»c~ao dos el¶ectrodos
›
Q
Carga el¶ectrica
C
Z
Imped^ancia
›
t0
Dura»c~ao do pulso de calor
s
¢T
Eleva»c~ao da temperatura
K
r
Espa»camento entre o sensor e a agulha do aquecedor
m
(continua na p¶
agina seguinte)
xiii
(continua»c~
ao)
S¶‡mbolo
Descri»
c~
ao
Unidades
q0
Energia aplicada por unidade de comprimento do aquecedor
Wm¡1
por unidade de tempo
ref f
Espa»camento efectivo entre o sensor e a agulha do aquece-
m
dor
C
Capacidade volum¶etrica de calor do solo
J m¡3 K¡1
•
Difusibilidade t¶ermica do solo
m2 s¡1
¡Ei (¡x)
Integral exponencial com argumento x
|
tM
Tempo da temperatura m¶axima
s
T
Temperatura
K
¢TM
Sobreleva»c~ao da temperatura
K
‚
Condutividade t¶ermica do solo
W m¡1 K¡1
Teor volum¶etrico de ¶agua no solo
m3 m¡3
‰
Densidade do material
kg m¡3
c
Calor espec¶‡flco
K kg¡1 K¡1
e
Condutividade el¶ectrica aparente
S=cm
ECb
Condutividade el¶ectrica do meio
S=cm
ECw
Condutividade el¶ectrica da ¶agua
S=cm
ECs
Condutividade da superf¶‡cie do solo
S=cm
VM AIN
Tens~ao de alimenta»c~ao da unidade central
V
VHEAT ER
Tens~ao aplicada ao aquecedor
V
VHP
Tens~ao lida da aplica»c~ao do pulso ao aquecedor
V
HP
Controlo do aquecedor
V
VCC
Tens~ao de alimenta»c~ao da sonda
V
RT HER
Resist^encia dos term¶‡stors
›
Ih
Corrente el¶ectrica no aquecedor
A
Rm
Resist^encia por unidade de comprimento do aquecedor
›
·
Rendimento
|
ESR
Resist^encia S¶erie Equivalente
›
RL
Resist^encia de carga
›
C
Capacidade el¶ectrica
F
CL
Capacidade de carga
F
L
Indut^ancia
H
xiv
1
Introdu»c~ao
Todas as actividades que giram em torno dos conceitos da agricultura de precis~ao
visam a gest~ao da produ»ca~o agr¶‡cola com o crescimento global da popula»ca~o, assim,
s~ao utilizadas t¶ecnicas para diminuir os custos de produ»ca~o e investimentos. T¶ecnicas
como a monitoriza»ca~o das caracter¶‡sticas do solo e de outros factores de produ»c~ao
fornecem informa»co~es que permitem uma melhor gest~ao da produ»c~ao agr¶‡cola e, em
u
¶ltima inst^ancia, resultam num maior rendimento econ¶omico por ¶area cultivada.
A agricultura de precis~ao ¶e uma estrat¶egia de gest~ao que utiliza tecnologias da
informa»ca~o e electr¶onica para reunir informa»c~ao de m¶
ultiplas fontes, por forma a
¶ composta essencialmente por tr^es
apoiar decis~oes associadas a produ»c~ao agr¶‡cola. E
componentes: recolha de dados, interpreta»c~ao e an¶alise dos dados, e implementa»ca~o
de uma resposta a escala e em tempo adequados. Actualmente a tend^encia da
evolu»c~ao nesta ¶area ¶e no sentido da recolha de dados ser electr¶onica, automatizada,
de baixo custo e ocorrer mais frequentemente e com maior detalhe. Al¶em disso, a
interpreta»c~ao dos dados recolhidos e a sua an¶alise tende a ser mais formal e anal¶‡tica
e as regras de decis~ao, suportadas numa base cient¶‡flca, ser~ao aplic¶aveis aos actuais
procedimentos agr¶‡colas. A implementa»ca~o de uma resposta ser¶a mais espec¶‡flca,
quer em localiza»ca~o, quer em tempo [1].
1
~
CAP¶ITULO 1. INTRODUC
» AO
2
Os sistemas de gest~ao de processos agr¶‡colas recorrem cada vez mais a um maior
n¶
umero de sensores e a monitoriza»ca~o de um maior n¶
umero de par^ametros que re ectem, directa ou indirectamente, o desenvolvimento das plantas. Com a introdu»c~ao
de novos conceitos de aquisi»c~ao de dados, controlo distribu¶‡do e intelig^encia artiflcial, os sistemas de apoio a decis~ao t^em-se tornado uma ferramenta poderosa no
¶ neste contexto que as tecnologias da electr¶onica e
aux¶‡lio a produ»ca~o agr¶‡cola. E
da informa»ca~o t^em tido, nos u
¶ltimos anos, um papel preponderante na evolu»c~ao de
novas solu»co~es de instrumenta»ca~o, controlo e gest~ao de processos agr¶‡colas.
Os avan»cos nas ¶areas da tecnologia electr¶onica e da informa»ca~o, nomeadamente nas
suas aplica»c~oes a produ»ca~o agr¶‡cola, t^em criado o potencial para uma mudan»ca
substancial na gest~ao e apoio a decis~ao na agricultura. Tecnologias como interfaces
sensoriais que analisam, remoto ou localmente, as propriedades do solo, primordiais na produ»c~ao agr¶‡cola, est~ao constantemente a ser concebidas, aperfei»coadas e
disseminadas no meio rural [2].
1.1
Grandezas f¶‡sicas e qu¶‡micas de interesse
Todos os processos f¶‡sicos, qu¶‡micos e biol¶ogicos que ocorrem no solo s~ao in uenciados pela temperatura e pelo conte¶
udo de ¶agua no solo e os seus gradientes. Por
exemplo, os processos biol¶ogicos, tais como o transporte de nutrientes e ¶agua pelas
ra¶‡zes, a decomposi»c~ao de mat¶eria org^anica por microrganismos e a germina»c~ao de
sementes, s~ao afectadas por estes. Existe uma combina»c~ao ¶optima para as quantidades de ¶agua, nutrientes e ar que devem estar presentes ao n¶‡vel das ra¶‡zes de forma
a ser proporcionado um melhor desenvolvimento das plantas. Veriflca-se assim a
necessidade de aliar a tecnologia a monitoriza»ca~o e gest~ao destas propriedades permitindo deste modo, por exemplo, uma melhoria consider¶avel na produ»c~ao agr¶‡cola.
Pela import^ancia da monitoriza»c~ao das variadas grandezas apresenta-se de seguida
um breve resumo de algumas e o modo como afectam, de um modo geral, a monitoriza»c~ao dos solos que fornecem as plantas n~ao s¶o um suporte f¶‡sico, mas tamb¶em
1.1. GRANDEZAS F¶ISICAS E QU¶IMICAS DE INTERESSE
3
o meio onde se desenvolvem as ra¶‡zes e onde estas exercem as suas fun»c~oes al¶em dos
nutrientes que s~ao necess¶arios a vida [3].
1.1.1
Temperatura do solo
Import^
ancia da temperatura do solo
A temperatura do solo ¶e um dos factores mais importantes para o desenvolvimento
das plantas. O solo, al¶em de armazenar e permitir os processos de transfer^encia de
¶agua, solutos e gases, tamb¶em armazena e transfere calor. A capacidade de um solo
armazenar e transferir calor ¶e determinada pelas suas propriedades t¶ermicas e pelas
condi»co~es meteorol¶ogicas que, por sua vez, in uenciam todos os processos qu¶‡micos,
f¶‡sicos e biol¶ogicos do solo. A actividade microbiol¶ogica poder¶a ser interrompida,
as sementes poder~ao n~ao germinar e as plantas n~ao se desenvolverem, se o solo n~ao
apresentar uma faixa de temperatura adequada para a manuten»c~ao dos processos
flsiol¶ogicos envolvidos. As propriedades f¶‡sicas da ¶agua e do ar do solo, bem como
seus movimentos e disponibilidade no solo, al¶em de muitas reac»co~es qu¶‡micas que
libertam nutrientes para as plantas, s~ao in uenciados pela temperatura do solo.
Al¶em disso, o calor armazenado pr¶oximo da superf¶‡cie do solo tem grande efeito
na evapora»ca~o. As propriedades t¶ermicas do solo e as condi»co~es meteorol¶ogicas,
portanto, in uenciam no meio ambiente das plantas.
Processos de transfer^
encia
Os processos de transfer^encia de calor no solo podem ocorrer por condu»c~ao e convec»c~ao, com ou sem transfer^encia de calor latente. A temperatura do solo ¶e consequ^encia desses processos e das trocas de calor entre a superf¶‡cie do solo com a
atmosfera. Nas trocas de calor entre a superf¶‡cie do solo com a atmosfera, al¶em dos
processos de condu»c~ao e convec»c~ao, ocorre, ainda, mais um processo: a radia»c~ao.
A radia»ca~o ¶e o u
¶nico processo de transfer^encia que pode ocorrer no v¶acuo porque
neste processo a energia ocorre por ondas electromagn¶eticas. A condu»ca~o ocorre
4
~
CAP¶ITULO 1. INTRODUC
» AO
pela transfer^encia de energia t¶ermica de uma part¶‡cula para outra e ¶e geralmente
o processo mais importante de transfer^encia nos solos. Este processo ¶e conduzido
pelas propriedades t¶ermicas do solo, que por sua vez s~ao dependentes da humidade
do mesmo. A convec»ca~o ocorre atrav¶es de uidos em movimento ( uxo de massa) e ¶e
geralmente o processo mais importante de transfer^encia de calor nos solos h¶
umidos.
Propriedades t¶
ermicas dos solos
A quantidade de calor que pode ser transmitida por condu»c~ao no solo depende: (i)
da propriedade do meio que o transmite, ou seja, da sua condutividade t¶ermica, que
consiste na quantidade de energia t¶ermica que o solo pode transmitir por segundo a
uma dist^ancia de 1 metro, quando a diferen»ca de temperatura nessa dist^ancia for de
1 K (um Kelvin); e (ii) da quantidade de energia t¶ermica que uma massa ou volume
de solo armazena antes que a sua temperatura se eleve (calor espec¶‡flco). O calor
espec¶‡flco ¶e a quantidade de energia t¶ermica que 1 kg ou 1 m3 de solo necessita para
aumentar a temperatura de 1 K. Noutras palavras, o calor espec¶‡flco do solo re ecte
a sua capacidade de actuar como um reservat¶orio de calor, enquanto a condutividade
re ecte a sua capacidade de transmitir calor. Consequentemente, o tempo requerido
para um determinado solo aumentar ou diminuir a temperatura depende de como o
calor ¶e transmitido e do calor espec¶‡flco de cada fase constituinte (s¶olida, l¶‡quida e
gasosa).
Solo com temperatura controlada produz mais e melhor
O conhecimento das propriedades t¶ermicas do solo tem um papel preponderante
na ¶area agr¶‡cola. A compreens~ao do comportamento t¶ermico do solo auxilia na
resolu»c~ao de eventuais problemas nessa ¶area. A temperatura do solo varia em resposta as mudan»cas nas energias radiante, t¶ermica e latente nos processos de trocas
de energia que decorrem, em primeiro lugar, a superf¶‡cie do solo. Os par^ametros
do solo mais pertinentes s~ao a capacidade volum¶etrica de calor, a condutibilidade
e a difusibilidade t¶ermica sendo que estes s~ao afectados pelo teor de ¶agua no solo
1.1. GRANDEZAS F¶ISICAS E QU¶IMICAS DE INTERESSE
5
assim como, por fontes de calor internas. Admite-se assim, que ¶e poss¶‡vel produzir
mais e com melhor qualidade, se houver aten»ca~o com a qualidade f¶‡sica dos solos,
promovendo-se condi»co~es para uma adequada temperatura do ambiente radicular
das plantas.
1.1.2
Teor de ¶
agua no solo
Solo saturado e n~
ao saturado de ¶
agua
Das tr^es fases do solo, s¶olida, l¶‡quida e gasosa, as duas u
¶ltimas s~ao complementares,
isto ¶e, a m¶axima presen»ca de uma implica a aus^encia da outra. A por»c~ao do espa»co
poroso n~ao ocupada pela fase l¶‡quida ser¶a complementada pela fase gasosa. Portanto,
a fase l¶‡quida pode estar presente, completa ou parcialmente, nos poros do solo. No
primeiro caso, o solo ¶e dito saturado e, no segundo, n~ao saturado. De um modo
geral, os solos encontram-se n~ao saturados de ¶agua, mas mesmo assim armazenam,
consideravelmente, alguma quantidade de ¶agua, parte da qual deve ser utilizada
pelas plantas. Os processos din^amicos da ¶agua em solos n~ao saturados fazem parte
de assuntos cient¶‡flcos terrestres do ciclo hidrol¶ogico e de problemas relacionados com
a irriga»ca~o, ecologia de plantas, e com a biologia da fauna e ora do solo. Processos
espec¶‡flcos de grande interesse e import^ancia incluem inflltra»ca~o, redistribui»ca~o e
evapora»c~ao da ¶agua pelos solos.
Inflltra»c~
ao da ¶
agua no solo
¶ o processo pelo qual a ¶agua penetra no solo. A taxa na qual a ¶agua penetra
E
¶ iniciado com taxas altas no in¶‡cio e vai dimino solo ¶e vari¶avel com o tempo. E
nuindo progressivamente at¶e atingir valores constantes. As for»cas respons¶aveis por
esse movimento s~ao a gravitacional e a capilar, esta u
¶ltima originada nos meniscos
c^oncavos resultantes da interac»c~ao entre as fases s¶olida, l¶‡quida e gasosa (for»cas de
adsor»ca~o, coes~ao e tens~ao superflcial). Quando o solo se encontra relativamente seco
no in¶‡cio da inflltra»ca~o, as for»cas capilares dominam o processo e, por isso, as taxas
6
~
CAP¶ITULO 1. INTRODUC
» AO
de inflltra»c~ao s~ao altas. Com o passar do tempo, essas for»cas v~ao se anulando e
a for»ca gravitacional passa a ser a principal respons¶avel por esse movimento. O
conhecimento deste processo ¶e particularmente importante em estudos de irriga»c~ao,
conserva»ca~o do solo e da ¶agua.
Redistribui»
c~
ao da ¶
agua no solo
O processo da redistribui»ca~o ou drenagem interna inicia-se quando acaba a inflltra»c~ao da ¶agua da chuva ou irriga»ca~o. Portanto, o tempo flnal da inflltra»c~ao ¶e o
tempo zero da redistribui»ca~o. No in¶‡cio deste processo, a for»ca gravitacional ¶e a
principal respons¶avel pelas altera»co~es ocorrentes, e a humidade nas proximidades da
superf¶‡cie do solo ¶e a que decrescer¶a mais rapidamente, se o solo apresentar boas
condi»c~oes para a drenagem livre. Tanto a taxa de uxo descendente como a humidade ser¶a progressivamente diminu¶‡da com o tempo, at¶e estas varia»c~oes se tornarem
t~ao pequenas quanto desprez¶aveis. Nestas condi»co~es, diz-se que o excesso de ¶agua
foi drenado e o solo atingiu a sua condi»c~ao de capacidade utiliz¶avel. A capacidade
utiliz¶avel assume-se como o limite superior de disponibilidade de ¶agua as plantas e,
por isso, ganhou grande import^ancia, particularmente na engenharia da irriga»c~ao.
Evapora»c~
ao da ¶
agua do solo
A perda de ¶agua do solo por este processo constitui um importante par^ametro no
ciclo hidrol¶ogico. A evapora»ca~o que ocorre na superf¶‡cie do solo ¶e indesej¶avel, do
ponto de vista agr¶‡cola, porque n~ao participa directamente no ciclo das plantas. O
conhecimento dos factores que determinam a evapora»c~ao da ¶agua dos solos permite
a adop»c~ao de t¶ecnicas que objectivam control¶a-la, possibilitando a conserva»c~ao da
¶agua armazenada para uso das plantas.
1.1. GRANDEZAS F¶ISICAS E QU¶IMICAS DE INTERESSE
7
Um controlo adequado da ¶
agua do solo permite produzir mais e melhor
O conhecimento do teor de ¶agua no solo ¶e um elemento essencial na agricultura,
pois muitas s~ao as vari¶aveis f¶‡sicas a ele relacionadas. Os mecanismos de reten»ca~o
de ¶agua no solo dependem da sua composi»ca~o granulosa. A medi»ca~o do teor de
¶agua do solo ¶e uma informa»ca~o t¶ecnica fundamental para uma s¶erie de actividades
econ¶omicas da ¶area da agricultura. Esta grandeza traduz essencialmente a quantidade de ¶agua dispon¶‡vel para a planta, sendo o principal par^ametro de medida
em sistemas de controlo de irriga»c~ao. A medi»ca~o do conte¶
udo de ¶agua no solo ¶e,
deste modo, essencial para uma irriga»ca~o eflciente. Doen»cas associadas a irriga»ca~o
deflciente podem ent~ao ser prevenidas, reduzindo-se a quantidade de tratamentos
necess¶arios para as combater, minimizando o impacto ambiental causado pela sua
aplica»ca~o.
1.1.3
Condutividade el¶
ectrica do solo
A condutividade el¶ectrica ¶e a capacidade que um material tem em transmitir (con¶ uma propriedade intr¶‡nseca do material, assim como
duzir) corrente el¶ectrica. E
outras propriedades como a densidade ou porosidade.
O solo pode conduzir corrente el¶ectrica atrav¶es da ¶agua intersticial, que cont¶em
electr¶olitos dissolvidos, e atrav¶es dos cati~oes troc¶aveis que residem perto da superf¶‡cie
das part¶‡culas de solo carregadas e s~ao electricamente m¶oveis em v¶arios n¶‡veis [4]. A
condutividade el¶ectrica depende principalmente da solu»ca~o electrol¶‡tica existente no
solo. Solos com baixo teor de humidade apresentam resist^encia el¶ectrica muito alta.
Alguns minerais presentes aparecem como isolantes, apesar de que em alguns solos
pode existir uma pequena corrente que ¶e conduzida atrav¶es de part¶‡culas. Portanto
o valor obtido para a condutividade el¶ectrica de um solo ¶e principalmente devido ao
seu teor de ¶agua e de sais dissolvidos. A utilidade da condutividade el¶ectrica na ¶area
agr¶‡cola prov¶em do facto que os diferentes componentes f¶‡sicos existentes no solo,
apresentam diferentes n¶‡veis de condutividade el¶ectrica. A medi»c~ao da condutividade
el¶ectrica ¶e um elemento necess¶ario e eflciente na investiga»ca~o do comportamento e
~
CAP¶ITULO 1. INTRODUC
» AO
8
da variabilidade espacial das propriedades do solo. Na agricultura os sistemas de
condutividade el¶ectrica s~ao aplicados como indicadores qualitativos das propriedades
f¶‡sico-qu¶‡micas do solo.
A medi»c~ao da condutividade el¶ectrica do solo ¶e assim uma tecnologia que se tornou
uma ferramenta inestim¶avel por identiflcar as propriedades f¶‡sica e qu¶‡micas do solo
que in uenciam, por exemplo, nos padr~oes do rendimento de colheitas agr¶‡colas e
por estabilizar a varia»ca~o destas mesmas propriedades do solo [5].
1.2
Motiva»c~
ao e objectivos
A necessidade de medir as propriedades do solo para gest~ao de processos agr¶‡colas
implica a utiliza»ca~o de sensores com caracter¶‡sticas pr¶oprias. A medi»ca~o de algumas
destas propriedades exige uma solu»ca~o de medi»c~ao, no campo e n~ao invasiva. A
procura por sistemas de dimens~oes reduzidas, baixo custo e sem qualquer tipo de
cablagem tem vindo a aumentar signiflcativamente. A ¶area abrangente de medi»co~es
no campo da agricultura, a aplica»c~ao destes sistemas ¶e bastante favor¶avel.
As medi»co~es das propriedades do solo na Zona n~ao Saturada1 , Fig. 1.1, est¶a de¶ necess¶ario para estudos nesta camada
pendente a pequenas escalas de medi»ca~o. E
avaliar as propriedades do solo em pequena escala, usando volumes de solo aproximadamente iguais. Surge ent~ao a necessidade para uma sonda multi-funcional que
assegure de que as diferentes propriedades do solo sejam medidas dentro de volumes id^enticos, minimizando os efeitos da heterogeneidade do solo e fornecer medidas
exactas na monitoriza»ca~o do local.
Um aspecto importante ¶e o sistema de transfer^encia de informa»ca~o respons¶avel pela
interface do dispositivo com o exterior. As solu»co~es de sistemas centralizados de
aquisi»c~ao de dados pressup~oem, em muitos casos, a utiliza»ca~o de sistemas de cablagem complexos, que se traduzem em custos acrescidos. Al¶em disso, a utiliza»c~ao
1
Zona de maior actividade biol¶ogica e est¶a, geralmente, mais enriquecida de mat¶eria org^anica e
¶e mais afectada pelas actividades agr¶‡colas.
~ E OBJECTIVOS
1.2. MOTIVAC
» AO
9
Figura 1.1 { Zona n~ao Saturada e Zona Saturada no subsolo.
de cablagem acarreta diflculdades na media»c~ao de algumas grandezas, como por
exemplo a temperatura das folhas e teor de ¶agua nos solos, devido as modiflca»co~es
estruturais que provoca nas plantas, e que consequentemente afectam o seu desenvol¶ neste campo que os dispositivos contribuem de forma signiflcativa para
vimento. E
a exibilidade e mobilidade das aplica»c~oes. O interesse da utiliza»ca~o de dispositivos
sem flos na ¶area agr¶‡cola tem crescido exponencialmente, pois permite a cobertura
de ¶areas vastas sem recurso a cablagem. No entanto este tipo de solu»co~es apresenta
desde j¶a alguns desaflos ¶a sua concep»ca~o. Al¶em da transfer^encia de informa»c~ao, ¶e
tamb¶em necess¶ario recorrer a t¶ecnicas que permitam a alimenta»c~ao de tais sistemas, dado que, na maioria dos casos, n~ao existe nas proximidades qualquer fonte
de energia. Torna-se ent~ao claro que uma das chaves para o sucesso comercial de
dispositivos de aquisi»c~ao de dados sem flos, ¶e estes estarem dotados de comunica»c~oes
sem flos, com suporte de interliga»ca~o em rede, e que possam ser alimentados por
fontes de energia renov¶aveis como, por exemplo, atrav¶es de pain¶eis fotovoltaicos.
A sonda multi-funcional introduzida por Mori et al. [6] utilizava para o processamento de sinal e recolha de dados um sistema de aquisi»ca~o com cablagem (datalogger ) limitando assim a sua aplica»ca~o no campo. A sonda proposta por Valente
et al. [7] evolu¶‡da da sonda de Mori, j¶a tinha como flnalidade ser um dispositivo
aut¶onomo, com condicionamento e processamento digital do sinal inclu¶‡do na sonda
~
CAP¶ITULO 1. INTRODUC
» AO
10
e transmiss~ao dos dados por r¶adio-frequ^encia. No entanto, apresentava algumas limita»c~oes, nomeadamente, na autonomia do sistema, pois os consumos do aquecedor
eram elevados e na transmiss~ao de dados por r¶adio-frequ^encia que era efectuada
muito pr¶oximo do solo.
(a)
(b)
Figura 1.2 { (a)- Sonda Multi-Funcional proposta por Mori, (b)- Sonda Multi-Funcional
proposta por Valente.
Neste trabalho pretende-se desenvolver hardware, para uma sonda multi-funcional
baseada no m¶etodo do pulso de calor, para medi»c~ao simult^anea do conte¶
udo de ¶agua
do solo, propriedades t¶ermicas e condutividade el¶ectrica do solo. A sonda proposta
evoluiu da sonda de Valente et al. [7] apresentando diversos melhoramentos tais como
o consumo, sistema de aquisi»ca~o de dados, aperfei»coamento do condicionamento e
processamento digital do sinal, transmiss~ao dos dados por radio-frequ^encia mais
eflcaz com a coloca»c~ao do sistema RF numa estaca, evitando desta forma eventuais
interfer^encias provocadas pela vegeta»ca~o, e melhoramento da autonomia do sistema,
com inclus~ao de um carregador solar, isto tudo em dimens~oes reduzidas e baixo
custo uma vez que tem como flnalidade ser um sistema de medi»c~ao comercial.
Na flgura 1.3 est¶a ilustrada a sonda multi-funcional proposta para realiza»ca~o deste
trabalho. Todo o sistema ¶e caracterizado pela transmiss~ao de dados sem flos, alimenta»ca~o por painel solar, elevada exibilidade na coloca»ca~o no terreno, capacidade
de interliga»ca~o em rede com outras unidades e elevada autonomia de funcionamento.
~ DA TESE
1.3. ORGANIZAC
» AO
11
Figura 1.3 { Sonda Multi-Funcional proposta para a realiza»c~ao deste trabalho.
1.3
Organiza»c~
ao da tese
Al¶em deste cap¶‡tulo introdut¶orio, que visou enquadrar este trabalho, bem como
apresentar os objectivos tra»cados e sua motiva»c~ao, esta tese ¶e composta por mais
cinco cap¶‡tulos.
No cap¶‡tulo 2 ¶e feito um estudo das sondas existentes bem como os aspectos que as
¶ justiflcado a necessidade da sonda multi-funcional proposta para assegurar
deflne. E
as exig^encias no campo da agricultura, como por exemplo no que diz respeito a
rentabiliza»c~ao dos processos agr¶‡colas.
No cap¶‡tulo 3 ¶e feita uma an¶alise te¶orica, do pulso de calor e da condutividade
el¶ectrica, necess¶aria para a compreens~ao dos m¶etodos utilizados na elabora»ca~o da
sonda, bem como uma abordagem anal¶‡tica para a interpreta»c~ao das propriedades
t¶ermicas, condutividade el¶ectrica e teor de ¶agua no solo.
12
~
CAP¶ITULO 1. INTRODUC
» AO
A implementa»ca~o da sonda multi-funcional incluindo as op»co~es tomadas e toda a
concep»c~ao estrutural e electr¶onica, ¶e documentada no cap¶‡tulo 4. S~ao abordados
todos os m¶odulos que constituem a sonda, os blocos funcionais principais (medi»ca~o
da temperatura, controlo do aquecedor e medi»ca~o da condutividade el¶ectrica), bem
como os requisitos que a sonda deve obedecer.
No cap¶‡tulo 5, apresentam-se os resultados experimentais obtidos dos testes efectuados a sonda multi-funcional, fazendo-se a discuss~ao desses mesmos resultados.
O Cap¶‡tulo 6 ¶e exclusivamente dedicado as conclus~oes deste trabalho perspectivandose, tamb¶em, as possibilidades de evolu»c~ao futura.
2
Dispositivos de Medi»c~ao das
Propriedades do Solo
A necessidade de determinar as propriedades t¶ermicas do solo surge, frequentemente,
em muitas investiga»c~oes agron¶omicas, ecol¶ogicas e hidrol¶ogicas com vista a compreender as rela»co~es qu¶‡micas, mec^anicas, hidrol¶ogicas e biol¶ogicas do solo. Existem
m¶etodos directos e indirectos para medir o teor de ¶agua e propriedades t¶ermicas do
solo, bem como diversos modos de os expressar quantitativamente.
As sondas baseadas no m¶etodo do pulso de calor est~ao a advir como sensores para
medir simultaneamente o teor de ¶agua no solo, propriedades t¶ermicas e condutividade el¶ectrica do solo [7, 8]. Na sec»c~ao 2.1 ser~ao descritos, alguns dos dispositivos
para a determina»ca~o das propriedades do solo, baseados no m¶etodo do pulso de
calor, e a sec»c~ao 2.2 ¶e dedicada, de uma forma sum¶aria, a mecanismos baseados
noutros m¶etodos.
2.1
Dispositivos baseados no pulso de calor
O desenvolvimento da teoria de pulso de calor levou ao desenvolvimento de pequenos
sensores como a sonda de duas agulhas DPHP (Dual-Probe Heat-Pulse) (Fig. 2.1)
que permite fazer medi»co~es de pequena escala das propriedades t¶ermicas do solo:
13
14
~ DAS PROPRIEDADES DO SOLO
CAP¶ITULO 2. DISPOSITIVOS DE MEDIC
» AO
capacidade volum¶etrica de calor, condutibilidade e difusibilidade t¶ermica. [9].
As varia»co~es da capacidade volum¶etrica de calor do solo s~ao devido as altera»co~es
do teor de ¶agua no solo, deste modo outra das aplica»co~es da sonda de duas agulhas
¶e permitir o c¶alculo do teor de ¶agua no solo a partir das medi»co~es da capacidade
volum¶etrica de calor.
Figura 2.1 { Sonda de duas agulhas apresentada por Campbell.
A t¶ecnica do pulso de calor para medir a capacidade volum¶etrica de calor ¶e baseada
numa perspectiva idealizada para a condu»c~ao num material cont¶‡nuo, em que um
pulso do calor ¶e libertado instantaneamente por uma linha-fonte de comprimento
inflnito [10, 11]. Num sensor real, o flo do aquecedor ¶e colocado numa das agulhas da
sonda de comprimento flnito: o pulso de calor ¶e aplicado durante um intervalo flxo,
tipicamente 8 s [9, 12]. O aumento na temperatura que ocorre durante a propaga»ca~o
do pulso de calor com o meio ¶e detectado por um sensor (termopar) inserido numa
segunda agulha da sonda paralela a agulha do aquecedor, espa»cadas entre si por uma
dist^ancia conhecida de 6 mm. Uma estimativa da capacidade volum¶etrica de calor
do solo ¶e relacionada directamente com a energia libertada pela fonte e relativamente
inverso a eleva»c~ao m¶axima da temperatura lida pelo sensor [9].
O m¶etodo DPHP foi testado experimentalmente por Bristow et al. [13], enquanto que
os erros de medi»ca~o foram analisados por Kluitenberg et al. [14]. A aplica»ca~o bem
sucedida do m¶etodo DPHP foi demonstrada tanto em laborat¶orio [15{17], como
em aplica»c~oes no campo [11, 18]. Recentes desenvolvimentos levaram a medi»c~ao
simult^anea das propriedades t¶ermicas, conte¶
udo de ¶agua e condutividade el¶ectrica
(EC) do solo usando um sensor Thermo-TDR [19] que ¶e a combina»ca~o do TDR
(Time Domain Re ectometry) com o m¶etodo de pulso de calor [20, 21]. Bristow et
2.1. DISPOSITIVOS BASEADOS NO PULSO DE CALOR
15
al. [22] aplicou o m¶etodo do pulso de calor para avaliar a capacidade volum¶etrica de
calor no solo, condutividade t¶ermica como tamb¶em o teor de ¶agua no solo. Em 2001
Bristow et al. [23] apresentou a inclus~ao na sonda de pulso de calor, HPP (Heat-Pulse
Probe), duas agulhas adicionais (Fig.2.2) para medir a condutividade el¶ectrica (EC)
do solo pelo m¶etodo de Wenner array permitindo deste modo a medi»c~ao simult^anea
da concentra»ca~o da solu»ca~o do solo.
Figura 2.2 { Sonda de quatro agulhas apresentada por Bristow.
Mais tarde Cobos e Baker [24] demonstraram como uma sonda HPP poderia ser
usada para medir exactamente o uxo de calor do solo. Mori et al. [6] demonstrou a
medi»ca~o simult^anea do teor de ¶agua no solo, propriedades t¶ermicas e da condutividade el¶ectrica usando uma sonda multi-funcional, MFHPP (Multi-Functional Heat
Pulse Probe), para solos saturados e insaturados. A sonda consistia em seis sensores:
um aquecedor para aplicar o pulso de calor durante 8 s, quatro term¶‡stors localizados
no centro de cada agulha, com dist^ancias radiais aproximadamente iguais de 6 mm do
sensor do aquecedor para medir a resposta da temperatura e quatro el¶ectrodos numa
disposi»ca~o de Wenner array para medi»ca~o da condutividade el¶ectrica (Fig. 2.3). Em
2005 Mori et al. [8] demonstrou igualmente a aplica»ca~o potencial da MFHPP para
determinar o uxo de ¶agua no solo.
Apesar destes dispositivos j¶a terem sido testados tanto em laborat¶orio como no
campo, apresentam limita»c~oes que os descartam de serem dispositivos de ^ambito
comercial. Limita»co~es como o recurso ao datalogger para a aquisi»c~ao de dados e
alimenta»c~ao do sistema e o uso de cablagem restringem estes dispositivos ao uso
pontual e n~ao de uma forma massiva. No campo da agricultura de precis~ao ¶e exigido,
cada vez mais com a evolu»ca~o da tecnologia, a aplica»c~ao de dispositivos de baixo
custo, com dimens~oes reduzidas e vers¶ateis.
16
~ DAS PROPRIEDADES DO SOLO
CAP¶ITULO 2. DISPOSITIVOS DE MEDIC
» AO
Figura 2.3 { Sonda multi-funcional apresentada por Mori.
Em 2006 Valente et al. [7] desenvolveu uma sonda multi-funcional que consistia
numa agulha central que continha o aquecedor e quatro term¶‡stors circunvizinhos
para medi»ca~o das propriedades t¶ermicas e conte¶
udo de ¶agua no solo. Para a medi»c~ao
da condutividade el¶ectrica, a sonda era constitu¶‡da por um Wenner array dado pela
forma em anel constitu¶‡da por quatro el¶ectrodos (Fig. 2.4).
Figura 2.4 { Sonda Multi-Funcional proposta por Valente.
A sonda multi-funcional proposta por Valente et al. j¶a se aproximava de um dispositivo aut¶onomo. No entanto apresentava algumas limita»co~es, nomeadamente, na autonomia do sistema, pois os consumos do aquecedor eram elevados e na transmiss~ao
de dados via RF uma vez que era efectuada muito pr¶oximo do solo, provocando
desta forma muitas interfer^encias e falhas na transmiss~ao de dados.
No mercado existem alguns dispositivos para a medi»c~ao do teor de ¶agua no solo,
como o sensor de humidade thermo-TDR (thermo-time domain re ectometry), no
entanto, s~ao dispositivos de algum custo e apresentam limita»co~es nomeadamente na
calibra»c~ao para os diferentes tipos de solo, as medi»co~es n~ao podem ser feitas perto da
2.2. OUTROS DISPOSITIVOS
17
superf¶‡cie do solo [25, 26] e, ¶e necess¶ario recorrer a dispositivos electr¶onicos externos
para alimentar o sensor, para a aquisi»ca~o e processamento dos dados [27, 28].
Na flgura 2.5 ilustra-se um exemplo de um sensor de humidade thermo-TDR (thermoTime Domain Re ectometry), usado para medir a condutividade el¶ectrica e o teor
de ¶agua no solo, onde ¶e ilustrado a depend^encia de um datalogger para a aquisi»ca~o
dos dados [29]. Trata-se portanto de um sistema pouco din^amico com recurso a
cablagem, dependente de alimenta»c~ao externa, ou seja, n~ao ¶e um sistema aut¶onomo.
Figura 2.5 { Exemplo de um sensor de humidade (thermo-TDR) com um datalogger.
2.2
Outros dispositivos
As medi»co~es do teor de ¶agua no solo podem ser executadas usando outras t¶ecnicas,
como o m¶etodo gravim¶etrico [30]; re ectometria no dom¶‡nio do tempo (TDR - TimeDomain Re ectometer ) [19, 31, 32]; t¶ecnica da sonda de neutr~oes [33].
A simplicidade e a precis~ao do m¶etodo gravim¶etrico s~ao as suas principais vanta¶ tamb¶em uma boa op»c~ao para medir o teor de ¶agua do solo junto das ra¶‡zes
gens. E
das plantas. Infelizmente o m¶etodo ¶e demorado e destrutivo, e n~ao pode ser automatizado. A t¶ecnica do TDR tamb¶em faz medi»c~oes precisas do teor de ¶agua do
solo. Uma vantagem signiflcativa do TDR em rela»ca~o ao m¶etodo gravim¶etrico ¶e que
permite medi»co~es automatizadas e n~ao destrutivas. Uma desvantagem do TDR ¶e
que o m¶etodo exige a calibra»c~ao para a medi»ca~o de solos enriquecidos em mat¶eria
18
~ DAS PROPRIEDADES DO SOLO
CAP¶ITULO 2. DISPOSITIVOS DE MEDIC
» AO
org^anica [34]. Outras barreiras para usar a t¶ecnica TDR s~ao custo do instrumento
e a sua complexidade. A t¶ecnica da sonda de neutr~oes ¶e um m¶etodo eflciente e
¶ de referir que este m¶etodo
cred¶‡vel na monitoriza»ca~o do teor de ¶agua no solo. E
permite obter, de um modo simples, o perfll de humidade de um solo. Contudo, ¶e
necess¶ario que os ensaios sejam realizados a uma profundidade m¶‡nima pois, quando
realizados pr¶oximo da superf¶‡cie, permitem que os neutr~oes r¶apidos escapem para
a atmosfera. Outra desvantagem ¶e o elevado pre»co deste tipo de equipamentos que
tornam quase impratic¶avel o seu uso na agricultura.
Embora existam outras t¶ecnicas o m¶etodo do pulso de calor emerge como um m¶etodo
bastante vantajoso. Uma vantagem signiflcativa deste m¶etodo ¶e a capacidade de
medir o teor de ¶agua perto da superf¶‡cie do solo, nomeadamente junto das ra¶‡zes
das plantas, de uma maneira n~ao destrutiva, precisa e automatizada.
Dados f¶‡sicos do solo de boa qualidade s~ao necess¶arios em laborat¶orio como no campo
para experi^encias, desenvolvimento, testes e aplica»c~ao de modelos das propriedades
t¶ermicas do solo, teor de ¶agua e transporte de soluto. Esta necessidade, combinada com os avan»cos na electr¶onica, nomeadamente nas unidades de aquisi»c~ao de
dados, sistemas auto-suflcientes, computa»c~ao e m¶etodos num¶ericos resultam em novas melhorias na instrumenta»c~ao para a medi»ca~o das propriedades do solo. Haver¶a
sempre uma necessidade cont¶‡nua de melhorar o custo, a robustez e a versatilidade
da instrumenta»c~ao de medi»c~ao das caracter¶‡sticas do solo.
Este trabalho ¶e provido para o desenvolvimento de hardware para uma sonda multifuncional de medi»ca~o simult^anea do conte¶
udo de ¶agua do solo, propriedades t¶ermicas
e condutividade el¶ectrica do solo, com aquisi»ca~o e processamento de dados atrav¶es de
um microcontrolador e transmiss~ao dos dados por radiofrequ^encia. Ser¶a um sistema
auto-suflciente, pois com o recurso a energia solar, atrav¶es da inclus~ao de um painel
solar, dota o sistema com uma maior autonomia. O sistema de comunica»co~es sem
flos na sonda multi-funcional possibilita, assim, a cria»c~ao de redes locais de aquisi»c~ao
de dados e potencia o processamento distribu¶‡do, bastante vantajoso em ¶areas de
implanta»ca~o consider¶aveis, como as que se veriflcam, por exemplo, nos sistemas de
controlo de irriga»c~ao. A aquisi»ca~o e o processamento dos dados in situ permite uma
2.2. OUTROS DISPOSITIVOS
19
maior exibilidade na interpreta»ca~o dos resultados, diminuindo desta forma tamb¶em
os consumos de energia sendo s¶o necess¶ario transmitir os resultados da monitoriza»ca~o
reduzindo deste modo o tempo de transmiss~ao. A sonda multi-funcional proposta
neste trabalho d¶a um contributo relevante na ¶area emergente da agricultura de
precis~ao, dado que as suas caracter¶‡sticas possibilitam a sua utiliza»ca~o em larga
escala a um custo reduzido, favorece a sua utiliza»c~ao em massa e potencia uma
avalia»c~ao correcta das propriedades que traduzem por exemplo o crescimento das
culturas.
3
Metodologias para Medi»c~ao
das Propriedades do Solo
As propriedades t¶ermicas e o teor de ¶agua no solo s~ao bastantes importantes na ¶area
agr¶‡cola. Um entendimento do comportamento t¶ermico, da medi»c~ao do conte¶
udo de
¶agua e da condutividade el¶ectrica do solo auxilia na resolu»ca~o de eventuais problemas
nesta ¶area.
Estas propriedades s~ao a condutibilidade t¶ermica, que representa a capacidade do
solo em conduzir calor; a difusibilidade t¶ermica, que representa a capacidade do
solo em difundir calor, isto ¶e, ¶e uma medida do tempo necess¶ario para as varia»co~es
de temperatura se propagarem e a capacidade volumetria de calor, que indica a
capacidade do solo em armazenar calor, ou seja, expressa a varia»ca~o de temperatura
resultante do ganho ou perda de calor. Essas propriedades, por sua vez, dependem
do conte¶
udo da ¶agua no solo.
A quantidade de ¶agua contida numa unidade de massa ou volume de solo e o estado
de energia da ¶agua no solo, s~ao factores importantes que afectam o crescimento das
plantas. H¶a ainda a considerar que o teor de ¶agua no solo condiciona o conte¶
udo de
ar e as trocas de g¶as no solo, afectando assim a respira»c~ao das ra¶‡zes, a actividade
de microrganismos e o estado qu¶‡mico do solo.
21
~ DAS PROPRIEDADES DO SOLO
CAP¶ITULO 3. METODOLOGIAS PARA MEDIC
» AO
22
Neste cap¶‡tulo, ¶e feita uma abordagem a teoria associada a cada m¶etodo de medi»ca~o,
nomeadamente, da condutividade el¶ectrica, propriedades t¶ermicas e o teor de ¶agua
no solo, descrevendo alguns princ¶‡pios b¶asicos e par^ametros de avalia»ca~o dos m¶etodos.
Na sec»ca~o 3.1 s~ao referidos os m¶etodos empregues para medir as propriedades
t¶ermicas do solo (temperatura, capacidade volum¶etrica de calor e difusibilidade
t¶ermica), condutividade el¶ectrica e conte¶
udo de ¶agua no solo. A sec»c~ao 3.2 ¶e dedicada as propriedades t¶ermicas e conte¶
udo da ¶agua no solo, sendo referidos aspectos
anal¶‡ticos e de medi»ca~o na determina»c~ao das caracter¶‡sticas das propriedades do
solo. A sec»ca~o 3.3 ¶e dedicada a condutividade el¶ectrica (EC), sendo mencionada a
rela»c~ao entre a EC e o teor de ¶agua no solo.
3.1
M¶
etodos de medi»c~
ao
Diversos m¶etodos anal¶‡ticos t^em sido apresentados para estimar a difusibilidade ou
a condutibilidade t¶ermica dos solos. Alguns envolvem modelos te¶oricos [35] ou modelos semi-emp¶‡ricos. No entanto o desenvolvimento da teoria de pulso de calor bem
como a medi»ca~o da condutividade el¶ectrica introduziram na agricultura o conceito
de utiliza»c~ao de sensores para a gest~ao e avalia»ca~o dos solos nos diversos processos agr¶‡colas. De seguida s~ao apresentados os m¶etodos nos quais est¶a a base de
implementa»ca~o dos processos de medi»c~ao da sonda multi-funcional proposta neste
trabalho.
3.2
Propriedades t¶
ermicas e conte¶
udo de ¶
agua no
solo
Temperatura do solo e
uxo de calor
A temperatura do solo varia em resposta as mudan»cas nas energias radiante, t¶ermica
e latente nos processos de trocas de energia que decorrem, em primeiro lugar, a
superf¶‡cie do solo. Os efeitos destes fen¶omenos s~ao propagados para dentro do perfll
¶
¶
¶
3.2. PROPRIEDADES TERMICAS
E CONTEUDO
DE AGUA
NO SOLO
23
do solo atrav¶es de uma s¶erie de processos de transporte complexos sendo a velocidade
de propaga»ca~o de cada um deles afectada por vari¶aveis de tempo e de espa»co das
propriedades do solo. Da¶‡ que a tarefa de formula»ca~o quantitativa e predi»ca~o do
regime t¶ermico do solo seja complexa. Mesmo fazendo uma predi»c~ao passiva a
possibilidade de controlar activamente ou de modiflcar o regime t¶ermico requer um
conhecimento profundo do processo a decorrer no momento e dos par^ametros do
solo e ambientais que orientam as suas velocidades de modiflca»ca~o. Os par^ametros
do solo mais pertinentes s~ao a capacidade volum¶etrica de calor, a condutibilidade e
a difusibilidade t¶ermica sendo estes afectados pelo teor de ¶agua no solo assim como,
por fontes de calor internas, po»cas e calor que actuam em qualquer momento.
Teor de ¶
agua no solo
A frac»ca~o de ¶agua por volume, ou por massa no solo, pode ser caracterizada em
termos de humidade do solo. A condi»ca~o f¶‡sico-qu¶‡mica, ou estado da ¶agua no solo,
¶e caracterizada em termos da sua energia livre por unidade de massa, designada por
potencial. Dos v¶arios componentes do potencial ¶e o potencial matricial que caracteriza a capacidade da matriz do solo reter ¶agua. A humidade do solo e o potencial
matricial est~ao funcionalmente relacionados e podem ser representados graflcamente
pela curva caracter¶‡stica solo-humidade. A humidade do solo e potencial matricial,
exibem varia»co~es apreci¶aveis, quer no espa»co quer no tempo, a medida que o solo ¶e
molhado pela ac»c~ao da chuva ou rega, drenado pela gravidade e seco pela evapora»ca~o
e/ou extrac»ca~o de ¶agua pelas ra¶‡zes.
A condi»c~ao de humidade extrema poss¶‡vel ¶e chamada de satura»c~
ao, e ¶e deflnida
como a condi»ca~o na qual todos os poros do solo est~ao cheios de ¶agua. A satura»c~ao ¶e
relativamente simples de deflnir no caso de solos n~ao-transpirat¶
orios (ex. areia) mas,
extremamente dif¶‡cil ou at¶e imposs¶‡vel de deflnir no caso de solos transpirat¶
orios.
De facto, este u
¶ltimo tipo de solo pode continuar a absorver ¶agua e transpirar
mesmo depois de todos os poros serem preenchidos com ¶agua. A condi»ca~o de menor
humidade que se encontra na natureza ¶e o denominado estado ¶
arido variando, este,
de acordo com o tipo de solo. A n¶‡vel laboratorial esta condi»ca~o ¶e um estado
24
~ DAS PROPRIEDADES DO SOLO
CAP¶ITULO 3. METODOLOGIAS PARA MEDIC
» AO
arbitr¶ario conhecido por seco-ao-forno (seco a 105 o C durante 24 horas). A medi»ca~o
das propriedades t¶ermicas do solo ¶e feita atrav¶es do m¶etodo de pulso de calor [13] e
¶e baseada na solu»c~ao de uma equa»c~ao da condu»c~ao de calor, para uma fonte de calor
de linha inflnita num meio homog¶eneo que est¶a inicialmente com uma temperatura
uniforme. Ap¶os a aplica»ca~o de um pulso de calor durante t0 (s), determina-se o teor
de ¶agua medindo a eleva»c~ao da temperatura, ¢T (K), a uma dist^ancia r (m) da
agulha do aquecedor da sonda do pulso de calor. A rela»ca~o f¶‡sica ¶e descrita por:
•
q0
Ei
¢T (r; t) =
4…C•
¡r2
4•(t ¡ t0 )
¶
¡ Ei
¡r2
4•t
¶‚
; t > t0
(3.1)
onde q 0 ¶e a energia aplicada por unidade de comprimento do aquecedor por unidade
de tempo (Wm¡1 ), C ¶e a capacidade volum¶etrica de calor do solo (J m¡3 K¡1 ), • ¶e
a difusibilidade t¶ermica do solo (m2 s¡1 ) e ¡Ei (¡x) ¶e um integral exponencial com
argumento x [36]. Usando a equa»ca~o 3.1, as propriedades t¶ermicas do solo podem
ser expressas como [13, 14]:
r2 (1=(tM ¡ t0 )) ¡ (1=tM )
•=
4
ln[tM =(tM ¡ t0 )]
•
q0
C = ‰c =
Ei
4…•¢TM
¡r2
4•(tM ¡ t0 )
¶
¡ Ei
(3.2)
¡r2
4•tM
¶‚
(3.3)
onde tM ¶e o tempo (s) em que a temperatura m¶axima ocorreu e ¢TM ¶e a m¶axima sobreleva»ca~o da temperatura (K). A condutibilidade t¶ermica do solo, ‚ (W m¡1 K¡1 ),
¶e determinada pelo produto entre C e •.
Uma vez que C ¶e obtido pela equa»ca~o 3.1, o teor volum¶etrico de ¶agua no solo,
(m3 m¡3 ), pode ser determinado por [35, 37]:
=
C ¡ ‰b cs
Cw
(3.4)
onde ‰ (kg m¡3 ) ¶e a densidade do material, c (K kg¡1 K¡1 ) ¶e o calor espec¶‡flco
¶
¶
¶
3.2. PROPRIEDADES TERMICAS
E CONTEUDO
DE AGUA
NO SOLO
25
e as subscri»c~oes \b", \s" e \w" referem-se ao meio (solo), a fase s¶olida e a ¶agua,
respectivamente.
3.2.1
Pulso de calor
O desenvolvimento da teoria de pulso de calor levou ao desenvolvimento de pequenos
sensores de duas agulhas, flgura 3.1, que permitem a obten»c~ao de medidas rotineiras
observacionais das propriedades t¶ermicas e do conte¶
udo de ¶agua no solo [13]. O
sensor consiste em duas agulhas montadas em paralelo, separadas por uma dist^ancia
de 6 mm. Uma agulha cont¶em um aquecedor e a outra um sensor de temperatura.
Figura 3.1 { Sonda de duas agulhas para medi»c~ao do pulso de calor.
Com a sonda inserida no solo, ¶e aplicado um pulso de calor atrav¶es do aquecedor durante um per¶‡odo de tempo flxo e a temperatura ¶e registada em fun»c~ao do
tempo pelo sensor colocado na outra agulha (Fig. 3.2). A difusibilidade t¶ermica e
a capacidade volum¶etrica de calor s~ao ent~ao determinadas a partir da resposta da
temperatura em fun»ca~o do tempo no sensor de temperatura utilizando a solu»ca~o
anal¶‡tica da equa»c~ao da condu»c~ao de calor radial num cilindro com fonte de calor
no seu eixo [22].
Na flgura 3.2 est¶a ilustrado um exemplo da resposta da temperatura depois da
aplica»ca~o de um pulso de calor em que a eleva»c~ao da temperatura m¶axima, que ¶e
uma fun»ca~o do teor de ¶agua no solo, ¶e registada pelo sensor [23].
26
~ DAS PROPRIEDADES DO SOLO
CAP¶ITULO 3. METODOLOGIAS PARA MEDIC
» AO
Figura 3.2 { Exemplo da resposta da temperatura no sensor depois da aplica»c~ao de um
pulso de calor de 8 s no aquecedor.
3.3
Condutividade el¶
ectrica
A medi»c~ao da condutividade el¶ectrica (EC) ¶e um m¶etodo u
¶til e extremamente difundido, especialmente para o controlo de qualidade, flscaliza»c~ao da pureza da ¶agua
de consumo e da qualidade do processo de fabrico. A determina»ca~o do n¶
umero total
de i~oes numa solu»c~ao ou a medi»ca~o directa dos componentes em solu»c~oes podem ser
determinadas fazendo medi»co~es da condutividade el¶ectrica.
A medi»ca~o da condutividade el¶ectrica do solo ¶e uma tecnologia que se tornou uma
ferramenta inestim¶avel por identiflcar as propriedades f¶‡sica e qu¶‡micas do solo que
in uenciam, por exemplo, nos padr~oes do rendimento de colheitas agr¶‡colas e por
estabilizar a varia»c~ao destas mesmas propriedades do solo. O teor de ¶agua, as
propriedades f¶‡sicas e qu¶‡micas bem como a varia»ca~o da temperatura s~ao factores de
grande in u^encia na condutividade el¶ectrica.
Medi»
c~
ao da condutividade el¶
ectrica
A condutividade el¶ectrica ¶e a capacidade de uma solu»c~ao, de um metal ou de um g¶as,
permitir a passagem de uma corrente el¶ectrica. Nas solu»co~es a corrente ¶e transitada
por cati~oes e ani~oes e nos metais ¶e transitada por electr~oes. Para uma solu»ca~o
¶
3.3. CONDUTIVIDADE ELECTRICA
27
conduzir corrente el¶ectrica depende de um n¶
umero de factores: (i) concentra»c~ao, (ii)
mobilidade dos i~oes, (iii) valencia de i~oes e (iv) temperatura.
A condutividade el¶ectrica pode ser medida aplicando uma corrente el¶ectrica alternada (I) a dois el¶ectrodos imergidos numa solu»ca~o, medindo a tens~ao resultante (V).
Durante este processo, os cati~oes migram para o el¶ectrodo negativo, os ani~oes para
o el¶ectrodo positivo e a solu»c~ao actua como um condutor el¶ectrico (Fig. 3.3).
Figura 3.3 { Movimenta»c~ao dos i~oes.
Deflni»co
~es
Resist^
encia
A resist^encia (R) de uma solu»ca~o pode ser calculado usando a lei de Ohm (V = R £ I).
R=
V
I
(3.5)
V - tens~ao (voltes)
I - corrente (amperes)
R - resist^encia da solu»ca~o (ohms)
Condut^
ancia
Condut^ancia (G) ¶e deflnida como o rec¶‡proco da resist^encia el¶ectrica (R) entre dois
el¶ectrodos numa solu»ca~o.
G=
1
(S)
R
(3.6)
28
~ DAS PROPRIEDADES DO SOLO
CAP¶ITULO 3. METODOLOGIAS PARA MEDIC
» AO
Constante da c¶
elula de medi»c~
ao
¶ a raz~ao da dist^ancia (e) entre os el¶ectrodos e a ¶area (a) dos el¶ectrodos.
E
K=
e
a
(3.7)
K - constante da c¶elula de medi»ca~o (cm¡1 )
a - ¶area efectiva dos el¶ectrodos (cm2 )
e - dist^ancia entre os el¶ectrodos (cm)
Condutividade
Electricidade ¶e o uxo de electr~oes. Isto indica que os i~oes na solu»ca~o conduzem
electricidade. A condutividade ¶e a capacidade da solu»c~ao conduzir corrente el¶ectrica.
=G†K
(3.8)
- condutividade (S/cm)
G - condut^ancia (S), onde G = 1=R
K - constante da c¶elula de medi»ca~o (cm¡1 )
M¶
etodos de medi»c~
ao da EC
Dois el¶
ectrodos
No m¶etodo tradicional de dois el¶ectrodos, ¶e aplicada uma corrente alternada entre
os dois el¶ectrodos e ¶e medida a tens~ao resultante. O objectivo ¶e apenas medir a
resist^encia da solu»ca~o (RSOL ). No entanto, a resist^encia (REL ) causada pela polariza»c~ao dos el¶ectrodos e o efeito campo interfere com a medi»ca~o, e ambas s~ao
medidas, RSOL e REL (Fig. 3.4).
¶
3.3. CONDUTIVIDADE ELECTRICA
29
Figura 3.4 { Diagrama simpliflcado do m¶etodo de dois el¶ectrodos para medi»c~ao da EC.
Quatro el¶
ectrodos
No m¶etodo de quatro el¶ectrodos, ¶e aplicado uma corrente aos dois el¶ectrodos exteriores (1 e 4) de modo a obter uma diferen»ca de potencial constante entre os dois
el¶ectrodos internos (2 e 3). Ao medir a tens~ao o valor da corrente ¶e insigniflcante e
deste modo os dois el¶ectrodos n~ao est~ao polarizados (R2 = R3 = 0). A condutividade
el¶ectrica ¶e directamente proporcional a corrente aplicada (Fig. 3.5).
Figura 3.5 { Diagrama simpliflcado do m¶etodo de quatro el¶ectrodos para medi»c~ao da EC.
3.3.1
Rela»
c~
ao entre a EC e o conte¶
udo de ¶
agua no solo
A condutividade el¶ectrica do solo assume um interesse consider¶avel, quer a n¶‡vel
te¶orico quer a n¶‡vel pr¶atico. A sua import^ancia pr¶atica assenta no facto da condutividade el¶ectrica do solo servir como um indicador, sens¶‡vel e exacto, do teor de ¶agua
no solo ou da sua salinidade.
O solo ¶e um material extremamente complexo constitu¶‡do por poros (vazios) e
part¶‡culas s¶olidas. Os solos variam bastante em salinidade, no tamanho e forma
30
~ DAS PROPRIEDADES DO SOLO
CAP¶ITULO 3. METODOLOGIAS PARA MEDIC
» AO
das part¶‡culas, no teor de mat¶eria org^anica, porosidade, percentagem de ¶agua livre
(existente nos espa»cos porosos) e a frac»ca~o de ¶agua retida por for»cas de absor»ca~o.
A ¶agua retida poder¶a re ectir um comportamento, em termos de condutividade
¶ necess¶ario deste modo, como reel¶ectrica, bastante distinto da ¶agua livre [38]. E
sultado destas diflculdades, um conhecimento te¶orico da resposta da condutividade
el¶ectrica ao teor de ¶agua no solo.
Al¶em do aquecedor e dos sensores de temperatura, a sonda multi-funcional inclu¶‡
quatro el¶ectrodos para a medi»c~ao da condutividade el¶ectrica. Consiste em quatro
el¶ectrodos paralelos cuja disposi»c~ao destes constituem uma conflgura»c~ao em Wenner
array pela qual a condutividade el¶ectrica do solo pode ser determinada (Fig. 3.6).
Figura 3.6 { M¶etodo de Wenner array.
No Wenner array, as dist^ancias entre os el¶ectrodos s~ao iguais (para um valor constante e) e a condutividade el¶ectrica aparente,
e
=
e
(S m¡1 ) para o Wenner array ¶e:
1
I
2…K VM N
(3.9)
onde I (A) ¶e a fonte de corrente, VM N (V) ¶e a tens~ao medida entre os el¶ectrodos
internos M e N e (1=2…K) (m¡1 ) ¶e a constante da c¶elula de medi»ca~o em que
1
=
K
•
1
1
¡
AM
MB
¶
¡
1
1
¡
AN
NB
¶‚
(3.10)
¶
3.3. CONDUTIVIDADE ELECTRICA
31
denota o factor geom¶etrico que adquirir¶a um valor particular para uma dada dist^ancia
do el¶ectrodo. No Wenner array o factor geom¶etrico assume a forma simpliflcada
K = e e assim o valor da constante da c¶elula ser¶a (1=2…e).
Rhoades prop^os uma express~ao que relaciona a condutividade el¶ectrica (EC) com o
teor de ¶agua no solo [39]:
ECb
=a
ECw
2
+b +
ECs
ECw
(3.11)
onde ECb ¶e o valor da condutividade el¶ectrica do meio, ECw ¶e a condutividade
el¶ectrica da ¶agua no solo e ECs ¶e a condutividade da superf¶‡cie do solo.
4
Concep»c~ao e Implementa»c~ao
Para o projecto da sonda multi-funcional, h¶a que ter em considera»ca~o a especiflcidade
do processo agr¶‡cola a que se destina. Assim consideram-se importantes os seguintes
aspectos:
† O sistema deve ser ex¶‡vel,
† De opera»ca~o simples,
† Deve ser aut¶onomo,
† N~ao deve usar flos nas comunica»c~oes com o exterior,
† Deve permitir a liga»ca~o em rede com outras unidades,
† Deve ser port¶atil.
Por ex¶‡vel entende-se que tal sistema deve permitir alguma variedade de utiliza»c~ao
para a medi»c~ao das propriedades do solo. Ser de opera»ca~o simples signiflca neste
contexto que o sistema deve ser de f¶acil liga»c~ao, n~ao exigindo do agricultor conhecimentos t¶ecnicos para a sua liga»ca~o. Quando se diz que o sistema deve ser aut¶onomo,
pretende-se que seja dotado de alimenta»ca~o pr¶opria, sem recorrer a alimenta»c~ao pela
33
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
34
rede el¶ectrica. No que se refere a comunica»ca~o entre o sistema e o exterior ¶e conveniente que seja feita sem flos, por forma a facilitar os trabalhos agr¶‡colas. Quanto a
portabilidade esta ¶e essencial quando se pretende que o sistema possa ser facilmente
mudado de local de opera»ca~o.
Neste cap¶‡tulo abordam-se todos os m¶odulos que constituem a sonda multi-funcional,
descrevendo-se os circuitos utilizados e as op»c~oes tomadas para a implementa»ca~o
dos mesmos, bem como os blocos funcionais principais (medi»c~ao da temperatura,
controlo do aquecedor e medi»c~ao da condutividade el¶ectrica).
4.1
Arquitectura proposta
A arquitectura proposta, representada na flgura 4.1, ¶e composta por seis m¶odulos:
controlo do aquecedor, medi»c~ao da temperatura, medi»ca~o da condutividade el¶ectrica,
transmissor de r¶adio frequ^encia, controlo digital e m¶odulo de alimenta»c~ao.
O controlo digital realizar¶a o condicionamento de sinal necess¶ario para controlar
o pulso de calor, medi»ca~o da temperatura, bem como todo o condicionamento de
sinal necess¶ario para a leitura da condutividade el¶ectrica. O m¶odulo de alimenta»c~ao
¶e respons¶avel pelo controlo de carga da bateria atrav¶es do painel solar, fornecer
a tens~ao necess¶aria para o pulso de calor, bem como pela alimenta»ca~o de todo o
sistema. O m¶odulo de comunica»co~es (transmissor de r¶adio-frequ^encia) realiza a
interface entre sinais digitais e sinais r¶adio.
4.2
Projecto da sonda
A sonda multi-funcional representada nas flguras 4.2 (a) e 4.3 (a), foi desenvolvida
de modo a fazer medi»co~es simult^aneas das propriedades t¶ermicas do solo (capacidade
volum¶etrica de calor, condutibilidade e difusibilidade t¶ermica), conte¶
udo de ¶agua no
solo usando o m¶etodo do pulso de calor e condutividade el¶ectrica pelo m¶etodo de
Wenner array. O sistema ¶e dividido em duas partes, a sonda e a unidade central
4.2. PROJECTO DA SONDA
35
Figura 4.1 { Arquitectura proposta.
com o microcontrolador com comunica»c~oes sem flos, painel solar e gest~ao de energia.
A sonda ¶e constitu¶‡da por quatro agulhas paralelas separadas 6 mm entre si, sendo
que tr^es delas s~ao usadas para medir as propriedades t¶ermicas e o conte¶
udo de ¶agua
no solo pelo m¶etodo do pulso de calor enquanto que o conjunto das quatro agulhas
s~ao usadas para medir a condutividade el¶ectrica pelo m¶etodo de Wenner array. A
sonda consiste num aquecedor, contido na agulha entre as duas agulhas que cont^em
os dois term¶‡stors, e quatro el¶ectrodos (Fig. 4.2 (a)). As agulhas s~ao feitas em forma
de tubo em a»co inoxid¶avel com 1,49 mm de di^ametro e 28 mm de comprimento
exterior a caixa PVC onde est~ao montadas e o interior destas ¶e preenchido, ap¶os a
coloca»ca~o dos sensores e do aquecedor, por uma cola ep¶oxica de elevada condutividade t¶ermica e muito baixa condutividade el¶ectrica (OMEGABOND 101).
O aquecedor ¶e feito de um flo esmaltado, Stablohm 800 A (0.062 mm de di^ametro
e 440:8 › m¡1 de resitividade), inserido na agulha do aquecedor de modo a obter
uma resist^encia de … 70 ›.
O Wenner array ¶e formado por quatro el¶ectrodos em que os el¶ectrodos externos
(referentes a A e B na flgura 4.2) s~ao excitados por uma tens~ao de 1 V durante
100 ms, enquanto que a diferen»ca de potencial ¶e medida atrav¶es dos dois el¶ectrodos
internos (M e N).
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
36
Os circuitos para controlo do aquecedor e toda a electr¶onica de aquisi»ca~o de dados
est~ao implementados no sistema onde est~ao colocadas as agulhas numa caixa PVC
(caixa sonda) de dimens~oes 46 £ 20 £ 32 mm ( Fig. 4.2 (b)).
(a)
(b)
Figura 4.2 { (a)- Constitui»c~ao da sonda multi-funcional , (b)- Caixa sonda.
O sistema constitu¶‡do pelo painel solar, microcontrolador, respons¶avel pela gest~ao
e comando de todo o sistema bem como pela transmiss~ao RF dos dados, o m¶odulo
de gest~ao de energia, nomeadamente a bateria, o controlador de carga do painel
solar, os conversores DC/DC, que fornecem a tens~ao necess¶aria ao pulso de calor e
a alimenta»c~ao de todos os dispositivos est¶a implementado numa caixa PVC (caixa
da unidade central) de dimens~oes 120 £ 80 £ 55 mm (Fig. 4.3).
(a)
(b)
Figura 4.3 { (a)- Unidade central , (b)- Caixa da unidade central..
4.3. UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO
4.3
37
Unidade central de processamento
A evolu»ca~o dos microcontroladores tornou economicamente vi¶avel o armazenamento
e processamento de informa»ca~o permitindo a sua aplica»c~ao em sistemas de aquisi»ca~o
e controlo cada vez mais compactos, vers¶ateis e fl¶aveis. Al¶em do mais, s~ao inclu¶‡dos
um n¶
umero cada vez maior de perif¶ericos fazendo destas unidades poderosos microcontroladores embebidos.
Ao desenvolver um sistema aut¶onomo para a monitoriza»c~ao ambiental, um interesse
principal ¶e como trocar dados entre o sistema de processamento e aquisi»c~ao e o
¶ vantajoso que a
sistema respons¶avel pela sustenta»ca~o do tratamento de dados. E
leitura das vari¶aveis f¶‡sicas por parte do utilizador possa ser feita de um local remoto
tornando assim desnecess¶arias as desloca»co~es deste, sempre que n~ao haja necessidade
da sua interven»c~ao directa. Cada sonda, do ponto de vista da transmiss~ao de dados, ¶e
considerada como um n¶o de uma rede que possa ser composta por um grande n¶
umero
de unidades. Um constrangimento est¶a relacionado com o local f¶‡sico considerado
da transmiss~ao [40]. Para ultrapassar este problema deve ser considerada uma rede
com uma topologia em malha para interligar cada sonda com um sistema central de
processamento.
Na flgura 4.4 est¶a ilustrado o diagrama de blocos do microcontrolador, implementado
no sistema proposto, com a indica»c~ao das vari¶aveis mais pertinentes de entrada e de
sa¶‡da que este controla.
4.3.1
Topologia da rede proposta
O protocolo ZigBee ¶e uma escolha apropriada, desenvolvido especialmente para ser
usado com um grande n¶
umero de n¶os de sensores interligados numa topologia em
malha (Fig. 4.5). Utiliza a norma IEEE 802.15.4 que funciona na faixa ISM (n~ao
¶ um protocolo simples que permite a
requer licen»ca para funcionamento), 2,4 GHz. E
transfer^encia fl¶avel de dados com n¶‡veis apropriados de seguran»ca. Nas redes ZigBee
um dispositivo pode permanecer durante um longo tempo sem ter que comunicar.
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
38
Figura 4.4 { Diagrama de blocos do microcontrolador.
VHP - Linha de comunica»c~
ao que l^
e a energia aplicada ao aquecedor.
VT H - Linha de comunica»c~
ao que l^
e uma tens~
ao proporcional a temperatura gerada pelo term¶‡stor colocado na agulha
do aquecedor para a protec»c~
ao deste.
HP - Linha de comunica»c~
ao que permite ligar e desligar o aquecedor.
DAC - Fornece um pulso de tens~
ao para o Wenner array e controla o conversor DC-DC de modo a que este forne»ca a
tens~
ao pretendia para o pulso de calor para uma gama de valores desde 6 a 12V.
¢§ADC - Linhas de comunica»c~
ao I2 C para ler os dados adquiridos pelas ADC¢§ durante a medi»c~
ao do pulso de calor
e da condutividade el¶
ectrica.
Al¶em disso o tempo de acesso a rede ¶e muito pequeno, tipicamente 30 ms. Outra
caracter¶‡stica importante ¶e o tamanho reduzido dos pacotes de dados que circulam
na rede. O ZigBee associa a transmiss~ao de dados sem flos a um reduzido consumo
energ¶etico e com elevada flabilidade.
Figura 4.5 { Diagrama da topologia em malha.
4.4. BLOCOS FUNCIONAIS
4.3.2
39
Microcontrolador
O m¶odulo JN5139 da Jennic incorpora um microcontrolador e recursos de comunica»ca~o sem flos. Este m¶odulo est¶a de acordo com a norma IEEE 802.15.4 e implementa a stack do protocolo ZigBee. Este dispositivo ¶e constitu¶‡do por um CPU
16 MHz de 32-bit RISC, um transmissor de 2.4 GHz IEEE 802.15.4 de alto desempenho, 192 kB de ROM, 96 kB de RAM e fornece uma solu»ca~o vers¶atil de baixo custo
para aplica»c~oes de redes de sensores com comunica»c~oes sem flos. O n¶‡vel elevado de
integra»c~ao ajuda a reduzir o custo do sistema total. Em particular, a ROM que permite a integra»ca~o da topologia de rede ponto-a-ponto e malha e a RAM que permite
a sustenta»ca~o de fun»co~es do router e do controlador, bem como as suas aplica»c~oes,
sem a necessidade de mem¶oria externa. O JN5139 utiliza MAC por hardware e
encripta»ca~o AES. O modo sleep do oscilador e a facilidade de conten»ca~o de energia,
fornecem um sistema com baixos consumos energ¶eticos. O dispositivo incorpora
tamb¶em portas SPI (Serial Peripheral Interface) e I2 C (Inter-Intergrated Circuit)
que permitem a comunica»c~ao do microcontrolador com outros diversos componentes.
A flgura 4.6 ilustra o m¶odulo central de processamento implementado.
Figura 4.6 { Microcontrolador JN5139.
4.4
Blocos funcionais
Nesta sec»ca~o s~ao descritos os blocos funcionais respons¶aveis pela medi»ca~o das propriedades t¶ermicas e da condutividade el¶ectrica do solo, bem como o bloco respons¶avel
pelo controlo do aquecedor para o pulso de calor.
40
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
Para a medi»ca~o da condutividade el¶ectrica s~ao usados quatro ampliflcadores operacionais, quatro el¶ectrodos, uma DAC do microcontrolador e duas ADC ¢§ com
sa¶‡das I2 C. Para o pulso de calor ¶e utilizado um MOSFET controlado pelo microcontrolador, uma resist^encia de precis~ao e a tens~ao necess¶aria para o aquecedor ¶e
fornecida pelo conversor DC/DC (step-up). Para a medi»c~ao da temperatura s~ao
usado dois term¶‡stors e duas ADC ¢§, estas tamb¶em com sa¶‡das I2 C.
4.4.1
Medi»c~
ao da temperatura
Para a medi»c~ao da temperatura, s~ao usados dois term¶‡stors, colocados no interior das
duas agulhas exteriores a agulha do aquecedor, como mostrado na Fig. 4.7, excitados
por uma corrente. Esta corrente de excita»ca~o u¶‡ directamente atrav¶es do term¶‡stor
gerando uma tens~ao proporcional a sua resist^encia que varia com a temperatura.
Esta tens~ao diferencial ¶e distribu¶‡da directamente as entradas positivas e negativas
das ADC ¢§ que permitem fazer medi»co~es simult^aneas com uma precis~ao de 5 m o C.
Figura 4.7 { Medi»c~ao da temperatura.
4.4. BLOCOS FUNCIONAIS
4.4.2
41
Medi»
c~
ao da condutividade el¶
ectrica
A medi»ca~o da condutividade el¶ectrica ¶e feita atrav¶es do m¶etodo de Wenner array
¶ aplicado um pulso de tens~ao de 1 V durante 100 ms
como ilustrado na Fig. 4.8. E
nas agulhas exteriores (A e B) e a diferen»ca de potencial ¶e medida nas duas agulhas
internas (M e N), utilizando dois AMPOP para isolar o sinal diferencial (VM ¡ VN ).
A tens~ao resultante ¶e convertida ent~ao numa palavra digital por uma ADC1 ¢§.
O mesmo pulso de tens~ao ¶e aplicado a uma resist^encia de refer^encia, RREF , e a queda
de tens~ao resultante (VRREF ), convertida numa palavra digital por uma ADC2 ¢§, a
dividir pela resist^encia de refer^encia, permite-nos obter a corrente injectada no solo
(I = VRREF =RREF ). A partir da diferen»ca de potencial obtida nos dois el¶ectrodos
internos (M e N) e da corrente injectada no solo, obtemos a rela»c~ao I=VM N na
medi»ca~o da condutividade el¶ectrica para o Wenner array descrito na equa»c~ao 3.9.
Figura 4.8 { Medi»c~ao da condutividade el¶ectrica.
4.4.3
Controlo e protec»c~
ao do aquecedor
Para o pulso de calor ¶e aplicada uma tens~ao (VHEATER = 12 V) no aquecedor atrav¶es
do conversor DC/DC (Step-Up). O controlo ¶e feito activando o trans¶‡stor Q1 durante
8 s e desligando-o durante 7200 s. A precis~ao de q’ na Eq. (3.1) ¶e importante para a
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
42
determina»c~ao do ¢T . A pot^encia dissipada por unidade de comprimento da agulha
do aquecedor, q’, ¶e calculado por,
q 0 = Ih2 Rm
(4.1)
onde Ih ¶e a corrente que passa pelo aquecedor e Rm ¶e a resist^encia por unidade de
comprimento do aquecedor. Se os valores de Ih e de Rm forem exactos, este c¶alculo
d¶a um valor exacto para q’. Isto requer uma medi»ca~o da tens~ao atrav¶es da medi»ca~o
da queda de tens~ao, VRSEN S , na resist^encia de precis~ao, RSENS , (Fig. 4.9 (a)). A
queda de tens~ao, em conjunto com a resist^encia de precis~ao, de valor conhecido, ¶e
utilizada para calcular a corrente Ih no circuito do aquecedor (Ih = VRSENS =RSENS ).
Para a protec»ca~o do aquecedor, ¶e utilizado um term¶‡stor colocado no interior da agulha, excitado por uma corrente que percorre uma resist^encia em s¶erie, RREF , gerando
uma tens~ao proporcional a temperatura, aplicada a uma ADC1 do microcontrolador
(Fig. 4.9 (b)). A tens~ao resultante assegura que o aquecedor n~ao atinja temperaturas
elevadas permitindo deste modo deslig¶a-lo evitando que este se queime.
(a)
(b)
Figura 4.9 { Controlo do aquecedor
~ ANALOGICO-DIGITAL
¶
4.5. CONVERSAO
4.5
43
Convers~
ao anal¶
ogico-digital
O processamento local de informa»c~ao proveniente de sensores leva a que os circuitos
¶ a capade interface sejam uma componente fundamental de um sistema integrado. E
cidade de processamento de sinal on-chip que confere a este tipo de sistemas as suas
vantagens. Os conversores anal¶ogico-digital s~ao deste modo estruturas essenciais
no processamento de sinal. Este sub-cap¶‡tulo ¶e dedicado ao processo de convers~ao
anal¶ogico-digital (A/D) onde ¶e tamb¶em justiflcada a escolha da arquitectura A/D
inclu¶‡da na sonda multi-funcional.
A escolha de uma determinada arquitectura de convers~ao A/D ¶e condicionada por
alguns par^ametros que se relacionam com o tipo de aplica»c~ao, o tipo de sinais de
entrada e a presen»ca de outros circuitos no mesmo sistema. Resolu»ca~o, precis~ao,
velocidade de convers~ao, largura de banda, n¶‡veis de ru¶‡do e consumo s~ao algumas
caracter¶‡sticas que t^em de ser equacionadas e cujo compromisso condiciona a escolha
de uma determinada arquitectura de convers~ao A/D.
A op»c~ao por um conversor A/D ¢§ deve-se ao facto de trocarem resolu»ca~o no tempo
por resolu»ca~o em amplitude. A combina»c~ao da t¶ecnica de modula»ca~o de ru¶‡do com
uma amostragem a uma frequ^encia muito superior a frequ^encia de Nyquist permite
a obten»c~ao de conversores A/D que apresentam uma elevada insensibilidade as n~aoidealidades dos seus componentes e ao ru¶‡do de substrato, a custa de uma maior
utiliza»ca~o de circuitos digitais r¶apidos [1].
A utiliza»c~ao dos sensores propostos na monitoriza»c~ao da temperatura do solo ¶e a
t¶‡pica aplica»ca~o onde as t¶ecnicas de modula»ca~o ¢§ s~ao particularmente vantajosas,
tendo em considera»c~ao a reduzida largura de banda dos sinais a serem convertidos.
O MCP3421 ¶e um conversor A/D ¢§ de elevada precis~ao e baixo ru¶‡do, com entradas diferenciais com uma resolu»c~ao at¶e 18 bits num pequeno circuito integrado
SOT23 ¡ 6. A tens~ao de refer^encia interna de 2,048 V permite uma tens~ao de entrada diferencial de § 2; 048 V (¢V = 4; 096 V). O dispositivo usa o protocolo I2 C
compat¶‡vel com interface s¶erie e funciona com uma alimenta»ca~o de 2,7 V a 5,5 V. O
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
44
MCP3421 executa a convers~ao em taxas de 3,75, 15, 60 ou 240 amostras por segundo
(SPS) dependendo da conflgura»c~ao de controlo de bits usando as duas liga»co~es interface s¶erie, I2 C. O dispositivo tem um ampliflcador interno program¶avel (PGA)
com ganhos de £1, £2, £4 e £8 que podem ser seleccionados antes da convers~ao
anal¶ogico para digital. Isto permite que o MCP3421 possa converter um pequeno
sinal de entrada com uma resolu»c~ao elevada. O dispositivo tem dois modos de convers~ao: modo cont¶‡nuo e modo one-shot. No modo one-shot o dispositivo entra
num modo autom¶atico de corrente auxiliar m¶‡nima depois de uma convers~ao, reduzindo assim a corrente de consumo durante per¶‡odos inactivos. O MCP3421 pode
ser usado para a convers~ao anal¶ogico-digital de diversas aplica»co~es com elevada precis~ao, onde a constitui»ca~o simples, baixo consumo e tamanho pequeno s~ao as suas
considera»c~oes mais relevantes. Na flgura 4.10 est¶a ilustrado o diagrama de blocos
do conversor A/D ¢§ implementado na sonda multi-funcional.
Figura 4.10 { Diagrama de blocos do MCP3421.
4.6
Condutividade
Para isolar os sinais de entrada dos el¶ectrodos do Wenner array para a medi»ca~o
da tens~ao ¶e usado o OPA4336 (Fig. 4.11). O OPA4336 ¶e um ampliflcador operacional CMOS microPower single-supply que permite uma alimenta»ca~o t~ao baixa quanto
2,1 V. Al¶em do tamanho pequeno e do baixo consumo de energia (20 „A=ampliflcador),
¶
~ E GESTAO
~ DE ENERGIA
4.7. MODULO
DE ALIMENTAC
» AO
45
tem uma tens~ao baixa de ofiset (125 „V) e uma corrente de polariza»c~ao de entrada
muito baixa (1 pA).
Figura 4.11 { Diagrama de blocos do OPA4336.
4.7
M¶
odulo de alimenta»c~
ao e gest~
ao de energia
Para alimentar todo o sistema a partir da bateria s~ao necess¶arios alguns cuidados, pois a eflci^encia de convers~ao da tens~ao da bateria para valores adequados aos
circuitos a jusante condiciona a autonomia do sistema. Por forma a aumentar a
eflci^encia do circuito de alimenta»ca~o e o tempo durante o qual a bateria ¶e capaz de
manter a tens~ao necess¶aria ao funcionamento do sistema, torna-se necess¶ario utilizar
conversores DC-DC.
O sistema de alimenta»c~ao da sonda multi-funcional proposta ¶e constitu¶‡do por 3
c¶elulas de NiCd (3 AA £ 1; 4 V) recarreg¶aveis pelo painel solar que fornece uma
pot^encia m¶axima de 0,5 W. A tens~ao em vazio do painel solar ¶e de 4,6 V e a corrente
de curto-circuito ¶e de 160 mA. As c¶elulas fotovoltaicas utilizadas na constru»c~ao do
painel solar s~ao de sil¶‡cio policristalino de alta eflc¶acia e o encapsulamento ¶e de EVA
(acetato de vinil-etileno). A alta eflc¶acia destes pain¶eis permite o seu funcionamento
com a maior parte das condi»c~oes atmosf¶ericas diurnas. Todas as especiflca»co~es foram
testadas sob as condi»co~es de teste standard (STC), pelas quais o painel foi exposto
a uma ilumina»c~ao de 1 KW=m2 (1 sun) e a uma temperatura de 25 – C.
Para fornecer a tens~ao pretendida ao aquecedor (12 V) ¶e usado um step-up enquanto
¶ usado
que para a alimenta»ca~o dos restantes m¶odulos ¶e usado um step-down. E
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
46
um controlador de carga para gerir eflcientemente a energia acumulada atrav¶es do
carregador solar para recarregar a bateria, e uma tens~ao de refer^encia que ¶e utilizada
para alimentar os sensores atrav¶es de uma tens~ao constante.
O diagrama de blocos funcional do m¶odulo de gest~ao de energia est¶a ilustrado na flgura 4.12. A seguinte sec»ca~o ¶e dedicada aos conversores DC-DC onde s~ao justiflcados
os c¶alculos para o funcionamento dos mesmos.
Figura 4.12 { Diagrama funcional do m¶odulo de gest~ao de energia.
4.7.1
Conversores DC-DC
Step-Up
Para fornecer a tens~ao para o pulso de calor foi escolhido o step-up da MAXIM
(MAX8715). O MAX8715 tem um desempenho elevado (at¶e 1,2 MHz), modula»ca~o
por largura de impulso (PWM) constru¶‡do com circuitos 0,21 ›/0,15 › n-channel
MOSFET para fornecer um regulador altamente eflciente com resposta r¶apida. A
frequ^encia de comuta»ca~o elevada (640 KHz ou 1,2 MHz seleccion¶avel) permite uma
flltragem f¶acil e um alto desempenho do ciclo de convers~ao. Um pino de compensa»ca~o
externo fornece a
exibilidade em determinar a din^amica do ciclo, permitindo o
uso de pequenos condensadores cer^amicos, com um baixo ESR (Equivalent-SeriesResistance, Resist^encia em S¶erie Equivalente). O dispositivo pode fornecer uma
¶
~ E GESTAO
~ DE ENERGIA
4.7. MODULO
DE ALIMENTAC
» AO
47
tens~ao de sa¶‡da t~ao alta quanto 12 V, para um tens~ao de entrada t~ao baixa quanto
2,6 V. O soft-start ¶e programado com um condensador externo, que ajusta o valor
de pico da corrente de arranque. Deste modo ¶e limitada a corrente de arranque
poupando assim energia. No modo desligado a corrente de consumo ¶e reduzida para
0; 1 „A. O MAX8715 ¶e disponibilizado num circuito integrado ultra-pequeno 8-Pin
„M AX
Dimensionamento
A frequ^encia do MAX8715 pode ser seleccionada para funcionar nos 640 KHz ou
1,2 MHz. Para permitir o uso de componentes externos pequenos e para obter um
ru¶‡do m¶‡nimo na sa¶‡da a frequ^encia de funcionamento escolhida ¶e de 1,2 MHz. O
condensador para o soft-start deve ser o suflciente (2,2 nF) para que o conversor n~ao
atinja o valor m¶aximo antes da regula»ca~o da tens~ao de sa¶‡da. O valor m¶‡nimo da
indut^ancia, o valor da corrente de pico, e a resist^encia em s¶erie s~ao factores a considerar na selec»c~ao da bobine. Estes factores in uenciam a eflci^encia do conversor,
a pot^encia m¶axima da carga de sa¶‡da, o tempo da resposta transit¶oria bem como a
tens~ao de ripple. As equa»c~oes usadas incluem uma constante, LIR, que relaciona a
corrente de ripple com a corrente m¶edia da bobine. No melhores dos casos a rela»ca~o
entre o tamanho da bobine e a eflci^encia de um step-up geralmente tem um LIR entre
0,3 e 0,5. Utilizando a tens~ao t¶‡pica de entrada VIN (4; 2 V), a corrente m¶axima de
sa¶‡da IMAIN(max) (600 mA), a eflci^encia prevista baseada na curva t¶‡pica de opera»ca~o
·typ (85 %) e uma estimativa da constante LIR, o c¶alculo do valor aproximado da
bobine ¶e dado por:
L =
=
VIN
¶2
VMAIN
4; 2 V
12 V
¶2
= 2; 26 „H
VMAIN ¡ VIN
IMAIN;max £ fosc
¶‡
12 V ¡ 4; 2 V
600 mA £ 1; 2 MHz
· ·
LIR
¶
0; 85
0; 5
(4.2)
¶
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
48
C¶alculo do corrente m¶axima de entrada DC para a tens~ao de entrada m¶‡nima,
IIN(DC;max) , onde VIN;(min) ¶e a tens~ao de entrada m¶‡nima, VMAIN ¶e a tens~ao de sa¶‡da e
·min representa a eflci^encia m¶‡nima esperada ¶e dado por:
IINDC;max =
=
IMAIN;max £ VMAIN
VIN;min £ ·min
(4.3)
600 mA £ 12 V
3; 8 V £ 0; 8
’ 2A
A corrente de ripple para este ponto de funcionamento e a corrente de pico necess¶aria
para a bobine ¶e determinada por:
IRIPPLE =
=
VIN;min £ (VMAIN ¡ VIN;min )
L £ VMAIN £ fosc
(4.4)
3; 8 V £ (12 V ¡ 3; 8 V)
2; 26 „H £ 12 V £ 1; 2 MHz
’ 957 mA
IPEAK = IINDC;max +
= 2 A+
IRIPPLE
2
(4.5)
957 mA
2
= 2; 5 A
Para controlar a tens~ao de sa¶‡da foi escolhido um d¶‡odo de schottky. Para flltrar a
tens~ao de sa¶‡da, foi dimensionado um condensador de baixo ESR (Equivalent Series
Resistor), atrav¶es da f¶ormula:
¶
~ E GESTAO
~ DE ENERGIA
4.7. MODULO
DE ALIMENTAC
» AO
C ‚
2
0; 5 £ L £ (IPK
)
VRIPPLE £ VOUT
49
(4.6)
0; 5 £ 2; 26 „H £ (2; 52 A)
‚
200 mV £ 12 V
‚ 2; 94 „F
O MAX8715 funciona com uma sa¶‡da ajust¶avel desde VIN at¶e 13 V. Para controlar
a tens~ao pretendida a sa¶‡da do conversor para o pulso de calor, ¶e usado uma DAC
do microcontrolador.
Tabela 4.1 { Tens~oes da DAC para controlar a tens~ao pretendida para o pulso de calor.
V
V
2; 4 V
5V
2; 05 V
6V
1; 71 V
7V
1; 36 V
8V
1; 02 V
9V
0; 67 V
10 V
0; 33 V
11 V
0V
12 V
O dimensionamento das resist^encias R1 e R3 , onde VDAC ¶e a tens~ao a sa¶‡da da DAC
e VFB ¶e 1,24 V e como a corrente de amostragem em FB ¶e tipicamente 0, R2 pode
ter uma valor at¶e 100 K›, ¶e dado por:
Quando VDAC = 2; 4 V ) VOUT = 5 V,
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
50
VDAC ¡ VFB
VFB VFB ¡ VOUT
=
+
R3
R2
R1
(4.7)
2; 4 V ¡ 1; 2 V
1; 2 V
1; 2 V ¡ 5 V
=
+
R3
100 K›
R1
R1 =
R3 £ 317 K›
R3 ¡ 100 K›
Quando VDAC = 0 V ) VOUT = 12 V,
VFB =
1; 2 V =
R3 ==R2
£ VOUT
(R3 ==R2 ) + R1
(4.8)
R3 ==100 K›
£ 12 V
(R3 ==100 K›) + R1
Substituindo R1 determinado na equa»c~ao 4.7,
R3 … 209 K›
Substituindo R3 na equa»ca~o 4.7,
R1 … 607 K›
A tens~ao de feedback necessita de uma compensa»ca~o apropriada para prevenir um
ripple excessivo na sa¶‡da e uma fraca eflci^encia causada pela instabilidade. Isto
pode ser feito ligando uma resist^encia, RCOMP , e um condensador, CCOMP em s¶erie
do pino COMP ao GND, onde VIN ¶e a tens~ao de entrada, VOUT ¶e a tens~ao de sa¶‡da,
COUT ¶e o condensador de flltragem da sa¶‡da e IOUT ¶e a corrente pretendida de sa¶‡da:
¶
~ E GESTAO
~ DE ENERGIA
4.7. MODULO
DE ALIMENTAC
» AO
RCOMP = (274 ›=A2 ) £ VIN £ VOUT £
51
COUT
L £ IOUT
= (274 ›=A2 ) £ 4; 2 V £ 12 V £
(4.9)
2; 94 „F
2; 26 „H £ 600 mA
’ 30 K›
CCOMP = 0; 36 £ 10¡3 A=› £
= 0; 36 £ 10¡3 A=› £
L
VIN
(4.10)
2; 26 „H
4; 2 V
= 194 pF
Na flgura 4.13 est¶a representado o circuito t¶‡pico de funcionamento do conversor
DC-DC MAX8715.
Figura 4.13 { Conflgura»c~ao do conversor DC-DC Step-Up MAX8715.
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
52
Step-Down
A redu»c~ao da tens~ao para a alimenta»c~ao dos m¶odulos do sistema ¶e feito com um
step-down da MAXIM (MAX1921). O conversor MAX1921 garante 400 mA para
uma sa¶‡da t~ao baixa quanto 1,25 V. Estes conversores usam um esquema pr¶oprio
de controlo de corrente conseguindo assim uma eflci^encia superior a 90 %. Este
dispositivo mant¶em uma fonte de corrente inactiva extremamente baixa (50 „A) e
a sua frequ^encia m¶axima de funcionamento, 1,2 MHz, permitem o uso externo de
componentes pequenos e de baixo custo. Esta combina»c~ao faz do MAX1921 uma
alternativa excelente de eflci^encia elevada para reguladores lineares em aplica»c~oes
de espa»co conflnado. O MAX1921 ¶e disponibilizado num circuito integrado ultrapequeno 6-Pin SOT23.
Dimensionamento
O MAX1921 tem controlo pr¶oprio de limita»ca~o de corrente para assegurar uma
eflci^encia elevada, resposta transit¶oria r¶apida e pequenos componentes externos. O
rectiflcador s¶‡ncrono interno elimina a necessidade de um d¶‡odo de schottky externo.
A frequ^encia de funcionamento do MAX1921 ¶e de 1,2 MHz e no modo desligado a
corrente de consumo ¶e de 0; 1 „A. O conversor tem um circuito interno que limita
a corrente de arranque reduzindo os transit¶orios na tens~ao de entrada.
Para calcular o valor m¶‡nimo da bobine, s~ao necess¶arios fazer alguns c¶alculos. Primeiro calcular o valor m¶aximo do ciclo de trabalho (duty cycle) para esta aplica»c~ao,
em que VOUT ¶e a tens~ao de sa¶‡da e VINmin ¶e a tens~ao m¶‡nima de entrada:
DutyCycleMAX =
VOUT
£ 100 %
VIN;min
=
3; 3 V
£ 100 %
3; 8 V
= 86; 8 %
(4.11)
¶
~ E GESTAO
~ DE ENERGIA
4.7. MODULO
DE ALIMENTAC
» AO
53
Segundo, calcular a tens~ao critica na bobine.
Se o duty cycle for menor que 50 %:
VCRITICAL = (VIN;min ¡ VOUT )
(4.12)
Se o duty cycle for maior que 50 % ent~ao:
VCRITICAL = VOUT = 3; 3 V
(4.13)
Por flm, calcular o valor m¶‡nimo da bobine:
LMIN = 2; 5 £ 10¡6 £ VCRITICAL
(4.14)
= 2; 5 £ 10¡6 £ 3; 3 V
= 8; 25 „H
Para quase todas as aplica»co~es o condensador de entrada pode ser t~ao pequeno
quanto 2; 2 „F. O condensador na entrada flltra a corrente de pico e o ru¶‡do da
tens~ao de entrada e por esta raz~ao ¶e necess¶ario conhecer os requisitos do ripple de
entrada e o valor da tens~ao. O c¶alculo da corrente IIN;RMS m¶axima de entrada, onde
VIN ¶e a tens~ao m¶axima de entrada, VOUT ¶e a tens~ao m¶axima de sa¶‡da e IOUTmax ¶e a
corrente m¶axima de sa¶‡da, ¶e dado por:
p
IIN;RMS = IOUT;max £
VOUT (VIN ¡ VOUT )
VIN
(4.15)
p
= 400 £ 10¡3 £
3; 3 V(4; 2 V ¡ 3; 3 V)
4; 2 V
= 164 mA
O condensador de sa¶‡da, COUT , pode ser cer^amico ou de t^antalo dependendo do circuito de aplica»ca~o pretendido. Para esta aplica»ca~o foi seleccionado um condensador
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
54
de t^antalo. Com um condensador de t^antalo, COUT , a resist^encia em s¶erie equivalente, ESR, de COUT tem que ser o suflciente grande para uma boa estabilidade:
ESRCOUT;min = 8; 0 £ 10¡2 £ VOUT
(4.16)
= 8; 0 £ 10¡2 £ 3; 3 V
= 264 £ 10¡3 ›
O valor m¶‡nimo do condensador, COUT , onde o factor multiplicativo 1; 25, ¶e a toler^ancia do condensador, ¶e dado por:
COUT;min = 1; 25 £
= 1; 25 £
L £ IOUT;max
ESRCOUT;min £ VCRITICALL
8; 25 „H £ 400 mA
264 £ 10¡3 £ 3; 3 V
= 4; 5 „F
Na flgura 4.14 est¶a representado o esquema do conversor DC-DC MAX1921.
Figura 4.14 { Conflgura»c~ao do conversor DC-DC Step-Down MAX1921.
(4.17)
¶
~ E GESTAO
~ DE ENERGIA
4.7. MODULO
DE ALIMENTAC
» AO
4.7.2
55
Tens~
ao de refer^
encia
Al¶em da alimenta»ca~o principal de 3,3 V, ¶e utilizada uma tens~ao de refer^encia de precis~ao, o LM4128 (Fig. 4.15), para a alimenta»ca~o dos sensores atrav¶es de uma tens~ao
constante de 3 V. O LM4128 apresenta um baixo consumo de energia (60 „A e 3 „A
no modo desligado) e um pino de Enable permitindo desta forma ligar e desligar
o dispositivo para controlo. O LM4128 t^em uma precis~ao de 0,1 % garantindo um
coeflciente de temperatura de 75 ppm/– C.
Figura 4.15 { Conflgura»c~ao do LM4128.
4.7.3
Controlador de carga
Dada a fonte de energia utilizada, dotou-se a sonda multi-funcional com um controlador de carga da bateria e implementaram-se algumas t¶ecnicas para gerir eflcientemente a energia acumulada. O circuito de carga utiliza a tens~ao proveniente
do painel solar e utiliza essa tens~ao para carregar a bateria. O diagrama de blocos
funcionais do controlador de carga est¶a ilustrado na flgura 4.16.
O controlador de carga ¶e constitu¶‡do por um conversor DC/DC, (step-up MAX856)
e por dois comparadores (MAX982) com histerese (Comp1 e Comp2). O circuito de
carga ¶e baseado numa tens~ao de carga de 3,3 V, ¶e utilizado um conversor DC/DC
step-up para evitar a descarga da bateria uma vez que a tens~ao no painel solar ¶e
inferior a tens~ao na bateria (4,2 V). De referir que o consumo t¶‡pico do MAX982 ¶e
cerca de 25 „A podendo-se obter rendimentos na ordem do 85 %. O comparador,
Comp1, controla o pino de Shutdown do conversor. O conversor est¶a no modo
~ E IMPLEMENTAC
~
CAP¶ITULO 4. CONCEPC
» AO
» AO
56
Shutdown, durante o tempo enquanto a tens~ao de carga do condensador (C1) for
mais baixa que a tens~ao de carga do painel solar. Quando a tens~ao do condensador
(C1) atinge a tens~ao de carga do painel solar, o conversor ¶e activado at¶e a tens~ao do
condensador (C1) atingir o limite mais baixo da faixa de histerese do comparador.
O comparador, Comp2, ¶e utilizado para monitorizar a tens~ao de sa¶‡da, inibindo a
transfer^encia de carga quando a tens~ao atinge um limite elevado e permitir a carga
quando a tens~ao atinge um limite baixo pr¶e-determinado.
Figura 4.16 { Controlador de carga da bateria.
4.7.4
Redu»c~
ao de consumo
Um dos problemas que efectivamente existia na sonda proposta por Valente et al.
era o consumo energ¶etico. Como tal foram tecidas algumas considera»co~es para
ultrapassar esta diflculdade neste trabalho, uma vez que se trata de uma sonda
multi-funcional de ^ambito comercial, que dever¶a ser ent~ao, o mais aut¶onoma poss¶‡vel.
O consumo m¶edio da sonda multi-funcional pode ser reduzido com a diminui»ca~o do
aquecimento do aquecedor aplicando um pulso de tens~ao de 9 V. Isto ¶e poss¶‡vel com
o aumento da resist^encia do aquecedor e devido a elevada resolu»c~ao das ADC ¢§
utilizadas neste trabalho que permitem uma aquisi»c~ao e processamento eflciente dos
dados. Neste sistema, ¶e utilizado um novo e robusto algoritmo que calcula todas
as propriedades do solo on-line. Esta nova abordagem permite economizar energia,
¶
~ E GESTAO
~ DE ENERGIA
4.7. MODULO
DE ALIMENTAC
» AO
57
uma vez que reduz o tempo de transmiss~ao de dados. A selec»ca~o dos dispositivos
electr¶onicos que comp~oem todo sistema tamb¶em foram considerados em rela»ca~o ao
consumo energ¶etico de cada um de forma a minorar os gastos de energia (Tab. 4.2).
No cap¶‡tulo 5 ser¶a feito um estudo energ¶etico da sonda multi-funcional.
Tabela 4.2 { Tabela dos consumos te¶oricos dos dispositivos.
Dispositivo
Modo activo
Modo desactivo
Microcontrolador(JN5139)
T X ¡ 37 mA
2; 8 „A
RX ¡ 37 mA
Step-Up (MAX8715)
’ 130 mA1
0; 1 „A
Step-Up (MAX856)
25 „A
1 „A
Step-Down (MAX1921)
50 „A
0; 1 „A
ADC (MCP3421)
145 „A
0; 1 „A
AMPOP (OPA4336)
80 „A
¡¡
AMPOP (MAX982)
4 „A
¡¡
Tens~
ao de refer^encia (LM4128)
60 „A
3 „A
1 Consumo
estimado durante o pulso de calor
5
Resultados Experimentais e
Discuss~ao
Neste cap¶‡tulo, apresentam-se os resultados obtidos durante os testes e medidas
efectuadas com o prot¶otipo, flnalizando-se com a sua discuss~ao.
Para caracterizar o prot¶otipo da sonda multi-funcional foram desenhados os circuitos
impressos onde foram colocados todos os componentes passivos, conversores DC-DC,
tens~ao de refer^encia, as ADC ¢§, os AMPOP e o microcontrolador (Fig. 5.1). As
placas de circuito impresso foram fabricadas na OLIMEX-Bulg¶aria.
A sonda multi-funcional foi caracterizada pela avalia»c~ao do pulso de calor, para
determinar as propriedades t¶ermicas do solo, do Wenner array para a medi»ca~o da
condutividade el¶ectrica, da transmiss~ao de dados via RF, autonomia e consumo.
Numa primeira fase foram realizados ensaios com a sonda multi-funcional, em laborat¶orio na Universidade de Tr¶as-os-Montes e Alto Douro, de todos os blocos de
medi»ca~o bem como da transmiss~ao de dados. Numa fase posterior, os testes flnais
foram realizados na Universidade da Calif¶ornia na cidade de Davis (EUA) no departamento de solos e hidrologia com a supervis~ao e ajuda dos professores Jan Hopmans
e Atac Tuli.
59
~
CAP¶ITULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSAO
60
(a)
(b)
Figura 5.1 { Fotograflas da constitui»c~ao da sonda multi-funcional, (a)- Unidade principal ,
(b)- Sonda.
5.1
Calibra»c~
ao do espa»camento dos sensores
Kluitenberg et al. [41] apontou que as mudan»cas de temperatura medidas s~ao altamente sens¶‡veis as dist^ancias efectivas do espa»camento, ref f , entre a agulha do
aquecedor e cada um dos term¶‡stors. Assim, a calibra»c~ao da dist^ancia efectiva ¶e
crucial para medi»c~oes exactas. A calibra»c~ao foi feita introduzindo a sonda num gel
que foi feito a partir de uma solu»c~ao de agar com 4 g L¡1 (Fig. 5.2). O agar tem
propriedades t¶ermicas iguais as da ¶agua, contudo n~ao cria a convec»ca~o de calor como
ocorreria aquecendo a ¶agua em estado liquido [6]. A medi»ca~o da resposta da temperatura na solu»ca~o de agar foi usada para calibrar a dist^ancia do espa»camento do
sensor para cada term¶‡stor fazendo uma aproxima»ca~o n~ao-linear a curva da temperatura atrav¶es da Eq. 3.1 usando valores conhecidos da capacidade volum¶etrica de
calor (4174 kJ m¡3 K) e da difusibilidade t¶ermica (1; 436 £ 10¡7 m2 s¡1 ) da ¶agua.
A flgura 5.3 representa a resposta da temperatura em fun»ca~o do tempo efectuada na
solu»c~ao de agar para um dos term¶‡stors. Neste procedimento da optimiza»ca~o n~aolinear, os res¶‡duos entre dados medidos e previstos da temperatura foram minimizados. A rela»c~ao entre os dados medidos e a aproxima»ca~o n~ao-linear ¶e razoavelmente
bom, mas alguns pequenos desvios ocorreram na cauda das curvas da resposta da
temperatura. Em parte, os desvios maiores nas caudas s~ao causados pela grande
~ DO ESPAC
5.1. CALIBRAC
» AO
» AMENTO DOS SENSORES
61
Figura 5.2 { Fotografla do m¶etodo de calibra»c~ao na solu»c~ao de agar.
capacidade de calor da solu»ca~o de agar, exigindo assim tempos longos da medi»c~ao.
As pequenas varia»c~oes das propriedades do solo podem consequentemente mudar as
respostas previstas da temperatura, como determinado pela Eq. 3.1. Embora seja
crucial saber exactamente o espa»camento entre as agulhas que cont^em o aquecedor
e os term¶‡stors para as medi»co~es das propriedades t¶ermicas do solo [14], os impactos
do erro no espa»camento entre agulhas nas medi»co~es de condutividade el¶ectrica n~ao
s~ao t~ao cr¶‡ticos. A principal exig^encia ¶e que as agulhas devem ser paralelas.
Figura 5.3 { Medi»c~ao da resposta em temperatura para a determina»c~ao de refi na solu»c~ao
de agar.
~
CAP¶ITULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSAO
62
Sob condi»co~es deste pulso em fun»ca~o do tempo foi desenvolvido um algoritmo para
determinar o espa»camento entre os el¶ectrodos. Os valores da aproxima»ca~o n~ao-linear
da dist^ancia efectiva do espa»camento, refi , para todos os term¶‡stors s~ao apresentados
nas tabelas 5.1 e 5.2 com a aplica»c~ao do pulso de calor a 9 V e 12 V. Os valores de ref f para os dois term¶‡stors variam entre 0,00555 e 0,00558 m (5,55 e 5,58
mil¶‡metros), visto que as dist^ancias f¶‡sicas medidas entre a agulha do aquecedor e as
agulhas dos term¶‡stor est~ao entre 0,0058 e 0,00594 m (5,80 e 5,94 mil¶‡metros). As
diferen»cas entre as dist^ancias previstas e efectivas s~ao causadas provavelmente pelos
erros introduzidos por: (i) concep»ca~o da agulha do aquecedor e dos term¶‡stors, tais
como a varia»c~ao da dist^ancia real dos term¶‡stors, do aquecedor e das diferen»cas das
propriedades t¶ermicas do material do aquecedor e do term¶‡stor, (ii) a resist^encia de
contacto entre os sensores e o agar circunvizinho, e (iii) na exactid~ao do pulso de
calor, q’.
Tabela 5.1 { Calibra»c~ao do espa»camento efectivos das agulhas para o pulso de calor com
9 V.
Sensor
1
2
Medido r (m)
0;00587
0;00594
r (m)
0;00555
0;00557
Tabela 5.2 { Calibra»c~ao do espa»camento efectivos das agulhas para o pulso de calor com
12 V.
Sensor
1
2
5.2
Medido r (m)
0;00587
0;00594
r (m)
0; 00558
0; 00556
Teste do pulso de calor
Para o teste do sensor em estudo utilizaram-se dois tipos de solos: arenoso, Tottori
e argila-arenoso, Columbia. As principais caracter¶‡sticas destes solos s~ao descritos
na sec»c~ao seguinte.
5.2. TESTE DO PULSO DE CALOR
63
Para homogeneizar e uniformizar o teor de ¶agua por toda a amostra houve a necessidade de misturar, cuidadosamente, com a ajuda de uma esp¶atula, a ¶agua com o
solo. Terminado este procedimento, ¶e colocado, em cada um dos recipientes, a sonda
implementada procedendo-se a recolha dos dados durante, aproximadamente, uma
hora e vinte minutos por cada conte¶
udo de ¶agua no solo. Durante este intervalo de
tempo s~ao efectuados cerca de quatro pulsos de calor, dois pulsos a 9 V e os outros
dois a 12 V, em intervalos de vinte minutos de modo a garantir a dissipa»c~ao do calor
para n~ao in uenciar as medi»co~es.
5.2.1
Descri»c~
ao dos solos
Um solo pode deflnir-se como um conjunto heterog¶eneo de fragmentos de mat¶eria
inorg^anica, de v¶arias dimens~oes e diferentes composi»c~oes mineral¶ogicas, bem como
de mat¶eria org^anica, ar e ¶agua.
O solo Tottori permite uma satura»c~ao e uma drenagem r¶apida para uma larga escala
de teor de ¶agua uma vez que se trata de um solo arenosos e possui um teor de areia
superior a 70 %. Tamb¶em possui argila e outros compostos em menor percentagem.
Nos solos arenosos as plantas e microrganismos vivem com mais diflculdade, devido
a pouca humidade. Estes tipos de solos s~ao bastantes perme¶aveis, isto ¶e, os gr~aos
de areia s~ao maiores e t^em mais espa»co entre si facilitando a passagem da ¶agua.
O solo Columbia ¶e composto por areia (40 %), argila (40 %) e silte (20 %). Os gr~aos
de argila s~ao menores e muito pr¶oximos uns dos outros diflcultando a passagem da
¶agua. Este tipo de solo possui baixa permeabilidade e alta capacidade de reten»c~ao
de ¶agua e geralmente cont^em mais nutrientes e h¶
umus do que os solos arenosos. Este
tipo de solo ¶e considerado ideal para utiliza»ca~o agr¶‡cola.
Durante as medi»c~oes do pulso de calor, as amostras de solo foram mantidas num
ambiente com a temperatura entre 20 o C a 25 o C.
~
CAP¶ITULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSAO
64
5.2.2
Procedimentos
Para efectuar os testes utilizaram-se dois recipientes de volume conhecido, um para
a medi»ca~o da satura»ca~o dos dois tipos de solo e outro para medir a concentra»c~ao de
¶agua contida nestes. Para a medi»c~ao da satura»c~ao de cada solo em estudo (Tottori = 0; 39 cm3 cm¡1 e Columbia -
= 0; 466 cm3 cm¡1 ), foi colocada uma amostra
de cada um no recipiente, com a sonda posicionada verticalmente no centro da c¶elula
de medi»c~ao. (Fig. 5.5(a)).
Posteriormente adicionou-se a cada amostra de solo Tottori, 10 %, 20 % e 30 %,
e a cada amostra de solo Columbia, 15 %, 25 % e 35 % de ¶agua correspondendo
aos conte¶
udos de ¶agua no solo seco, com um erro m¶aximo de § 1 % e colocou-se
no recipiente, com a sonda posicionada horizontalmente, (Fig. 5.5(b)) para medir as
respectivas concentra»co~es de ¶agua contida nas amostras.
(a)
(b)
Figura 5.4 { Fotograflas do sistema experimental de calibra»c~ao, (a) - Medi»c~ao da satura»c~ao,
(b) - Medi»c~ao da concentra»c~ao.
5.2.3
Propriedades t¶
ermicas
A flgura 5.5 ilustra os resultados obtidos das respostas t¶ermicas registados pelo
term¶‡stor ao aplicar o pulso de calor, com 9 V e 12 V durante 8 s, nos dois tipos
de solos em estudo, para teores de ¶agua no solo de 0,1, 0,2 e 0,3 m3 m¡3 (10 %, 20
5.2. TESTE DO PULSO DE CALOR
65
% e 30 %) para o solo Tottori e 0,15, 0,25 e 0,35 m3 m¡3 (15 %, 25 % e 35 %) para
o solo Columbia. Como esperado, as mudan»cas na temperatura do solo diminuem
conforme aumenta o teor de ¶agua e o pico da temperatura ¶e m¶aximo no mais baixo
teor de ¶agua no solo. As curvas resultantes ilustram a evolu»c~ao da temperatura ao
longo do tempo demonstrando que este m¶etodo ¶e, praticamente, independente do
tipo de solo.
Bristow et al. [42] recomendou a exclus~ao de dados para tempos maiores, porque
s~ao esperados desvios em rela»ca~o ¶a teoria subjacente da curva da resposta da temperatura.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 5.5 { Respostas t¶ermicas para v¶arios valores de teor de ¶agua no solo, (a) - Tottori
(VHEAT ER = 9V ), (b) - Tottori (VHEAT ER = 12V ), (c) - Columbia (VHEAT ER = 9V ),
(d) - Columbia (VHEAT ER = 12V ).
66
5.3
~
CAP¶ITULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSAO
Calibra»c~
ao da condutividade el¶
ectrica
A rela»ca~o I/V, onde V ¶e o VM ¡ VN (Fig. 4.8), ¶e proporcional a condutividade
el¶ectrica (EC). A constante de proporcionalidade entre o valor de I/V e a condutividade el¶ectrica depende da resist^encia e da geometria do sensor. A constante de
proporcionalidade ¶e igualmente designada por constante de c¶elula de Wenner array.
Esta constante ¶e determinada pela calibra»ca~o utilizando valores conhecidos de EC de
uma s¶erie de concentra»c~oes de solu»co~es numa temperatura de refer^encia conhecida
(23o C). Para a calibra»ca~o da EC foram preparadas e utilizadas solu»c~oes de cloreto de
c¶alcio (CaCl2 ) (Fig. 5.6) com concentra»co~es de 0,01 M, 0,03 M, 0,06 M e 0,1 M por
L¡1 com uma escala de valores correspondente ao volume de condutividade el¶ectrica
de 2,28, 6,64, 11,72 e 18; 64 mS cm¡1 . As curvas lineares de calibra»c~ao resultantes
est~ao ilustradas na Fig. 5.7. A aproxima»ca~o do declive da linha de regress~ao linear
correspondeu a uma constante de c¶elula de 2; 3108 cm¡1 .
Figura 5.6 { Fotografla do m¶etodo de calibra»c~ao da condutividade el¶ectrica.
~ DA CONDUTIVIDADE ELECTRICA
¶
5.3. CALIBRAC
» AO
67
Figura 5.7 { Calibra»c~ao da condutividade el¶ectrica.
An¶
alise da medi»c~
ao da EC
Ap¶os a elabora»c~ao de um estudo qualitativo e quantitativo dos resultados obtidos
chegou-se a conclus~ao que na medi»ca~o da condutividade el¶ectrica (EC) registaram-se
in u^encias na medi»c~ao desta. A precis~ao das medi»c~oes da EC pode ser in uenciada pelos seguintes factores: (i) polariza»ca~o; (ii) contamina»co~es das superf¶‡cies dos
el¶ectrodos; (iii) efeito-campo; (iv) efeito da temperatura.
A polariza»c~ao ocorre quando a corrente el¶ectrica que passa nos el¶ectrodos na solu»ca~o,
provoca uma acumula»ca~o de i~oes junto ao el¶ectrodo e reac»c~oes qu¶‡micas na superf¶‡cie (Fig. 5.8). Desta forma, surge uma resist^encia de polariza»ca~o na superf¶‡cie
do el¶ectrodo, que pode levar a resultados errados, pois ¶e um componente parasita
para a resist^encia da solu»ca~o.
Figura 5.8 { Acumula»c~ao de i~oes na superf¶‡cie do el¶ectrodo.
68
~
CAP¶ITULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSAO
Estes efeitos da polariza»c~ao podem ser reduzidos ou evitados, aplicando uma corrente alternada, ao inv¶es de um pulso de tens~ao, ou seja, a corrente ui atrav¶es
da capacidade da camada (Cel) dos el¶ectrodos em vez de acumular uma queda de
tens~ao atrav¶es da superf¶‡cie do el¶ectrodo devido a resist^encia da solu»ca~o (Rsol). A
resist^encia do el¶ectrodo (Rel) ¶e ent~ao muito menor do que a resist^encia da solu»c~ao
(Fig. 5.9).
Figura 5.9 { Resist^encia de polariza»c~ao.
Contamina»co~es ou res¶‡duos na superf¶‡cie dos el¶ectrodos tamb¶em in uenciam na
medi»c~ao da EC, tendo um efeito semelhante aos erros de polariza»c~ao.
Erros causados pelo efeito-campo tamb¶em podem estar presentes na medi»ca~o da EC,
isto ¶e, as linhas de campo podem ser afectas, se durante a medi»ca~o algo interferir com
estas, como por exemplo as paredes laterais do recipiente que continha a solu»ca~o.
Os testes da medi»ca~o da EC efectuaram-se numa temperatura praticamente constante, no entanto podem ter ocorrido durante alguns ensaios varia»c~oes desta e uma
vez que a EC ¶e in uenciada pela temperatura, se a temperatura aumenta, a EC
tamb¶em aumenta.
Durante a concep»c~ao da sonda e aquando da soldadura das agulhas a placa PCB
foi utilizado ¶acido clor¶‡drico e, veriflcou-se um efeito pilha entre as agulhas, devido
a um efeito qu¶‡mico causado pela n~ao utiliza»ca~o de um neutralizador para o ¶acido,
pelo que possa ser uma das in u^encias na medi»ca~o da condutividade el¶ectrica.
5.4. AUTONOMIA E CONSUMO
5.4
69
Autonomia e consumo
Sistemas como a sonda multi-funcional alimentados por bateria e painel solar, devem estar dotados de autonomia energ¶etica adequada a aplica»ca~o em causa, assim
durante a fase de projecto da sonda ¶e necess¶ario fazer algumas considera»c~oes relativamente ao seu consumo energ¶etico.
¶ fundamental ter em conta o per¶‡odo em que o painel solar n~ao fornece energia
E
suflciente para carregar a bateria. Factores como o consumo de energia e taxa de
amostragem da sonda multi-funcional s~ao consider¶aveis durante este per¶‡odo. Deste
modo a autonomia do sistema depende principalmente da capacidade da bateria.
Para a realiza»ca~o dos testes ao consumo energ¶etico da sonda aplicou-se a tens~ao da
bateria (4,2 V) e as medi»co~es das respectivas correntes de consumo foram obtidas
atrav¶es de um mult¶‡metro de precis~ao (KEITHLEY 2000).
Durante o ciclo normal de funcionamento da sonda multi-funcional, foram considerados os seus v¶arios modos de opera»ca~o para determinar os consumos que lhe est~ao
associados. Este modo de funcionamento consiste na activa»ca~o de todos os dispositivos da sonda para os processos de opera»ca~o, nomeadamente o Wenner array, pulso
de calor, aquisi»c~ao e transmiss~ao de dados e flnalmente ap¶os este modo de funcionamento a sonda entra no modo repouso (sleep mode) durante um per¶‡odo de tempo,
at¶e \acordar" para voltar ao modo de opera»ca~o normal. Deste modo, o consumo
m¶edio ¶e determinado pela rela»ca~o entre o tempo dispendido por determinada tarefa
e o per¶‡odo (tempo de amostragem) multiplicado pelo consumo da respectiva tarefa.
Na tabela 5.3 apresentam-se os diferentes modos de opera»c~ao e respectivos consumos
tendo em vista a determina»c~ao da corrente m¶edia pedida a bateria durante um
per¶‡odo de 7350 segundos (amostragem de … 2 horas).
~
CAP¶ITULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSAO
70
Tabela 5.3 { Tabela da corrente m¶edia durante um per¶‡odo de 7350 s.
Ligado (activa os dispositivos)
62; 08 mA
0; 0136 %
0; 0084 mA
(1 s todos os 7350 s)
Wenner array
10; 03 mA
0; 0014 %
0; 0001 mA
(0; 1 s todos os 7350 s)
Pulso de calor1
380 mA
0; 1088 %
0; 4136 mA
(8 s todos os 7350 s)
Aquisi»c~
ao de dados
35; 41 mA
Transmitir dados
1; 84 mA
1; 6327 %
0; 5781 mA
(120 s todos os 7350 s)
0; 0272 %
0; 0005 mA
(2 s todos os 7350 s)
Repouso (
)
0; 83 mA
97; 9592 %
0; 7837 mA
(7200 s todos os 7350 s)
(1; 8139 mA
1 Pulso
4; 2 V)
de calor a 9 V
Atrav¶es do valor da corrente m¶edia, ¶e poss¶‡vel calcular o tempo m¶aximo que o
sistema pode funcionar sem que haja necessidade de carregar a bateria bem com
veriflcar se o painel solar ¶e ou n~ao adequado. Teoricamente a autonomia da bateria
¶e igual a sua capacidade de armazenamento de carga dividida pela corrente m¶edia
consumida. Atrav¶es dos dados referidos na tabela 5.3, onde o tempo de amostragem
utilizado foi de 7350 segundos, a bateria de 4,2 V/2100 mAh confere uma autonomia
de:
2100 mAh
… 1158 horas (… 48 dias)
1; 8139 mA
(5.1)
Na pr¶atica o sistema deixa de funcionar quando a bateria atinge cerca de 60 % da
carga total, isto ¶e, ¶e a tens~ao min¶‡ma necess¶aria para os dispositivos funcionarem, que
para este caso corresponde a uma autonomia de 463 horas, ou seja, aproximadamente
19 dias. O painel fotovoltaico instalado na sonda possui uma pot^encia (0,5 W) muito
superior a pot^encia m¶edia consumida pelo sistema (7,62 mW). Deste modo veriflcase que este ¶e adequado para a aplica»c~ao em causa.
~
5.5. ALCANCE DAS COMUNICAC
» OES
5.5
71
Alcance das comunica»c~
oes
Para determinar o alcance m¶aximo de comunica»c~oes em linha de vista da sonda
multi-funcional com o coordenador ZigBee, colocou-se a sonda a v¶arias dist^ancias
e realizaram-se ensaios com vista a determinar a dist^ancia a que esta deixa de
comunicar com ^exito (Fig. 5.10). Ap¶os alguns testes de comunica»c~oes veriflcou-se
que para dist^ancias superiores a 200 metros estas deixavam de ter sucesso, pelo
que a dist^ancia entre a sonda multi-funcional e o coordenador ZigBee n~ao dever¶a
ultrapassar esta dist^ancia.
Outro teste realizado foi o alcance m¶aximo de comunica»co~es em campo com obst¶aculos,
uma vez que numa cultura agr¶‡cola existe sempre vegeta»c~ao ou outro qualquer tipo
de obst¶aculo. Efectuando o mesmo procedimento para veriflcar o alcance m¶aximo
que o coordenador ZigBee e a sonda conseguiam comunicar entre eles, obteve-se uma
dist^ancia m¶axima com sucesso de comunica»co~es entre estes de 155 metros. Tendo em
conta o local utilizado para efectivar o teste, que se trata de um pinhal, considerado
um pior caso, os resultados do alcance foram bastantes satisfat¶orios uma vez que
num campo agr¶‡cola as condi»co~es de comunica»c~ao dever~ao ser melhores.
Figura 5.10 { Fotografla do teste realizado ao alcance das comunica»c~
oes.
1 - Coordenador
.
2 - Sonda multi-funcional em linha de vista (a - Alcance de 200 m).
3 - Sonda multi-funcional em campo com obst¶
aculos (b - Alcance de 155 m).
~
CAP¶ITULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSAO
72
5.6
Prot¶
otipo
O prot¶otipo da sonda multi-funcional est¶a ilustrado nas fotograflas, Fig. 5.11, onde ¶e
poss¶‡vel veriflcar alguns dos objectivos delineados para a concep»ca~o deste trabalho,
nomeadamente, a interac»ca~o que esta confere em campo, portabilidade, autonomia
com a coloca»c~ao do painel fotovoltaico regul¶avel de modo a obter um bom ^angulo
de incid^encia de radia»ca~o solar, opera»ca~o simples (apenas com um interruptor ONOFF ) e com o m¶odulo de comunica»co~es sem flos colocado na estaca de modo a evitar
poss¶‡veis interfer^encias causadas pela vegeta»c~ao circundante.
(a)
(b)
Figura 5.11 { (a)- Fotografla do sistema global. (b)- Fotografla da sonda.
6
Conclus~oes Finais e
Trabalho futuro
Neste trabalho foi apresentada uma sonda multi-funcional com gest~ao de energia por
painel solar, para medi»c~ao simult^anea do conte¶
udo de ¶agua do solo, propriedades
t¶ermicas e condutividade el¶ectrica (EC) do solo, com sistema de aquisi»c~ao de dados
e processamento destes atrav¶es de um microcontrolador e transmiss~ao dos dados por
radio-frequ^encia.
Os objectivos delineados no in¶‡cio deste trabalho foram, principalmente, a concep»ca~o
de uma sonda multi-funcional de baixo custo, ex¶‡vel, aut¶onoma e com comunica»co~es
sem flos. Para alcan»car estes objectivos procedeu-se a implementa»ca~o de um sistema
constitu¶‡do por dois blocos principais, em que um deles, a unidade central, contem o
microcontrolador com comunica»co~es sem flos, painel solar e circuitos para gest~ao de
energia. O outro bloco que engloba o sistema ¶e a sonda, onde est¶a implementada a
electr¶onica de aquisi»ca~o, ¶e constitu¶‡da por quatro agulhas paralelas separadas entre
si, sendo que tr^es delas s~ao usadas para medir as propriedades t¶ermicas e o conte¶
udo
de ¶agua no solo pelo m¶etodo do pulso de calor enquanto que o conjunto da quatro
agulhas s~ao usadas para medir a EC pelo m¶etodo de Wenner array.
73
74
~
CAP¶ITULO 6. CONCLUSOES
FINAIS E TRABALHO FUTURO
Ap¶os a elabora»ca~o de um estudo qualitativo e quantitativo dos resultados obtidos
chegou-se a conclus~ao que, o pulso de calor constitui um eflciente meio para a determina»c~ao das propriedades t¶ermicas e conte¶
udo de ¶agua no solo revelando ainda
independ^encia com o tipo de solo. A aplica»ca~o de 9 V ao aquecedor para o pulso de
calor ao inv¶es de 12 V, normalmente usado na literatura, permite deste modo uma
redu»c~ao nos consumos sem descurar a inteireza dos resultados obtidos uma vez que
a as ADC ¢§ utilizadas permitem obter resultados bastantes precisos na aquisi»ca~o
dos dados.
A transmiss~ao dos dados por r¶adio-frequ^encia dota a sonda multi-funcional com
vantagem de permitir ao utilizador monitorizar as vari¶aveis f¶‡sicas a partir de um
local remoto, evitando assim desloca»co~es deste, sempre que n~ao haja necessidade da
sua interven»ca~o directa.
O m¶etodo adoptado para a medi»ca~o da condutividade el¶ectrica (EC) revelou algumas
lacunas, de modo que, o sistema de medi»c~ao dever¶a ser reconsiderado para colmatar
as in u^encias veriflcadas nos resultados da medi»ca~o da EC, apesar de n~ao afectar os
resultados flnais pretendidos neste trabalho, uma vez que a condutividade el¶ectrica
tinha como objectivo ser um indicador qualitativo do teor de ¶agua no solo.
V¶arios requisitos foram ponderados de modo a que a solu»ca~o implementada constitu¶‡sse um contributo v¶alido na gest~ao de explora»c~oes agr¶‡colas nomeadamente,
alimenta»ca~o atrav¶es de bateria, electr¶onica de aquisi»ca~o, gest~ao de energia da sonda
multi-funcional enquanto sistema aut¶onomo alimentado por painel solar, microcontrolador com comunica»c~ao com o exterior atrav¶es de r¶adio-frequ^encia, capacidade
de interliga»c~ao em rede com outras unidades e portabilidade do sistema. Com a
coloca»c~ao do microcontrolador na unidade central, que ¶e suportada por uma estaca,
permite uma transmiss~ao dos dados por radiofrequ^encia mais eflcaz, evitando desta
forma eventuais interfer^encias provocadas pela vegeta»ca~o.
A possibilidade de medir atrav¶es de um sistema de dimens~oes m¶‡nimas, potencia
a sua utiliza»c~ao em massa e permite medir vari¶aveis que de outra forma seria impens¶avel [27]. No que respeita a medi»ca~o do teor de ¶agua em solos agr¶‡colas, a
75
interac»c~ao com a sonda proposta ¶e de facto uma potencial solu»c~ao para a determina»ca~o deste par^ametro. Isto porque as medi»c~oes podem ser realizadas ao n¶‡vel da
raiz da planta, o que se reveste de especial relev^ancia, por exemplo, em sistemas de
controlo de irriga»c~ao.
Perspectivas de trabalho futuro
Al¶em da evolu»c~ao natural do hardware da sonda multi-funcional, h¶a a ter em considera»ca~o metas futuras. Um dos poss¶‡veis desenvolvimentos seria a implementa»ca~o
de um circuito capaz de fazer a protec»c~ao do aquecedor por hardware, pois este
aquecia enquanto se procedia a programa»c~ao do microcontrolador, o que implicava
desconectar o cabo de liga»c~ao da sonda a unidade central.
Desenvolver um sistema de agulhas remov¶‡vel da placa de circuitos da sonda, uma
vez que existe a possibilidade de estes se daniflcarem, nomeadamente o aquecedor
e os term¶‡stors, tendo em conta que a sua coloca»ca~o (soldadura na placa) apresenta
algum grau de diflculdade. Fica assim um sistema mais ex¶‡vel possibilitando de
uma forma muito f¶acil a substitui»c~ao das agulhas caso os sensores tenham eventuais
problemas, mantendo a mesma placa de circuitos da sonda.
Desenvolver um m¶etodo mais preciso na medi»c~ao da condutividade el¶ectrica (EC)
de modo a anular as poss¶‡veis in u^encias que foram veriflcadas durante os testes de
calibra»ca~o da EC.
Para uma maior robustez e capacidade de interven»c~ao directa no local da sonda, foi
idealizado uma unidade port¶atil (Fig. 6.1), para que possa ser poss¶‡vel fazer medi»co~es
em tempo real no ponto onde preside a sonda, para detec»c~ao de eventuais erros de
medi»ca~o, diflculdades na transmiss~ao e conflrma»ca~o de resultados. Deste modo uma
unidade port¶atil dotar¶a a sonda multi-funcional de novas potencialidades no que se
refere a exibilidade do seu uso em todas as vertentes do trabalho agr¶‡cola.
Finaliza-se esta disserta»c~ao com a convic»ca~o de que o trabalho apresentado pode
constituir uma forte evolu»ca~o e melhoria da gest~ao dos processos agr¶‡colas, uma
76
~
CAP¶ITULO 6. CONCLUSOES
FINAIS E TRABALHO FUTURO
vez que se trata de uma sonda multi-funcional de pequena escala com conspec»ca~o
comercial.
Figura 6.1 { Proposta de um sistema port¶atil para a medi»c~ao das propriedades do solo.
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