Realizando Testes de Mensuração da Condutividade Elétrica do Solo Usando Arduino

INTRODUÇÃO

Hoje existem diferentes setores beneficiados pelos avanços tecnológicos, inclusive o setor de agricultura. Agricultura de precisão é a pratica que usa um conjunto de ferramentas que permitem um agricultor, profissional ou não, quantificar e gerenciar a variabilidade espacial em campos, fazendas e ambientes fechados.

O inicio da agricultura de precisão no Brasil estabeleceu um senso comum definindo que, agricultura de precisão é uma prática relacionada à sofisticação de máquinas agrícolas por meio de sistemas eletrônicos embarcados e sistemas computacionais, já que esta fase teve como característica principal o uso de receptores GPS (Global Positioning System) e mapas de produtividade. De acordo com o edital FINEP CHAMADA PÚBLICA MCT/FINEP/CT-AGRO – Agricultura de Precisão, 2008. Priorizavam-se trabalhos acadêmicos voltados ao desenvolvimento de máquinas e equipamentos, neste momento um sistema embarcado ou um computador que permitisse realizar processamentos de imagens e mapas era uma alternativa consideravelmente cara e em certas casos, inviável pelo alto valor a ser investido e mão de obra qualificada necessária. E isto era considerado como um grande obstáculo para o meio produtivo, assim como no meio acadêmico. Hoje, estes sistemas alcançaram um custo viável, até mesmo a possibilidade do uso de equipamentos pessoais. Quando um equipamento auxilia a gestão da variabilidade espacial, então esse deve ser intitulado como uma ferramenta para agricultura de precisão. A agricultura de precisão ainda não é compreendida no Brasil por ampla parte dos produtores e implementadores, percebe-se a maior participação de simpatizantes e pesquisadores autônomos com familiaridade com tecnologias de informação, (INAMASU, 2011).

As investigações para definir uma unidade de gerenciamento diferenciado, não estão restritas apenas aos mapas de produtividade. Mensuração do conteúdo de água ( KACHANOSKI, 1988 ), mensuração do teor de matéria orgânica ( JAYNES, 1996 ), são alguns exemplos de investigações.

Por contato, ou seja, possibilitando a passagem de uma corrente elétrica entre eletrodos isolados ou sem contato direto com o solo, onde o é induzida uma corrente por um campo magnético. Estas são as maneiras de medir a condutividade elétrica do solo, equipamentos que coletam estas medidas são encontrados para comercialização. Segundo (MOLIN,2005), utilizaram um sensor de condutividade elétrica por indução disponível no mercado, para relatar o monitoramento de uma lavoura ao longo de 2 ciclos, segundo (PATRICK, 2009), descreve a criação de um sensor de  medição de condutividade utilizando-se de componentes básicos de eletrônica e um micro controlador do tipo Arduino para medir a condutividade elétrica.

Em 2005 ( KUSHNER, 2005), cinco amigos, David Cuartielles, Gianluca Martino, Tom Igoe, David Mellis e Massimo Banzi, projetaram um micro controlador de baixo custo, que permite pessoas com um pouco de experiência em eletrônica e computação, realizarem entre outras funções, coletar dados de sensores e automação de processos. O projeto dos cinco jovens inventores recebeu o nome de Arduino e é hoje, segundo (FRAUENFELDER, 2011) uma das maiores revoluções do conceito faça você mesmo.

Este trabalho relata o monitoramento da condutividade elétrica do solo no cultivo de plantas em um ambiente interno controlado, com um sensor de condutividade elétrica por contato, paralelamente a quantidade de água do solo medido. Assim como a construção e desenvolvimento de um hardware baseado na plataforma Arduino e uso de aplicações do tipo software livre, responsáveis pelas coletas e gestão da umidade do solo para agricultura de precisão.

MATERIAIS E METODOS

Foi selecionada um pequeno jardim doméstico, medindo 1 metro e cinco centímetros de comprimento e trinta e cinco centímetros de largura, localizado em Natal, Rio Grande do Norte, -5.84471/S latitude , -35.21546/W longitude. Esta área é ocupada por 2 vasos com mesma capacidade e combinação de solo, classificados de: Amostra I e Amostra II. Onde, ambas as  amostras são compostas por a% de areia, b% de húmus e c% de palha de coco na camada inferior do substrato em vasos medindo 0.075 metros de altura, 0.105 metros de diâmetro, e com 0.4 litros de capacidade.  Em ambos os casos, os extratos estavam em saturação e monitorados individualmente no período de 24 horas consecutivas e ininterruptas.

Foi utilizado para determinar a condutividade do solo na Amostra I, o sensor de umidade Freaduino modelo OBSoil-01. O equipamento mede 5.5 centímetros de altura, 2.3 centímetros de largura, 0.7 centímetros de largura e pesando 6 quilogramas. Juntamente com a coleta de dados do sensor OBSoil01, uma replica do sensor de condutividade proposto por  (PATRICK, 2012), descrido e ilustrado na figura 2, foi utilizado como referência no Amostra II.

FIGURA 1.1 – OBSoil-01, fonte alimentação 3.3v ou 5.0v, voltagem de saída 0~4.2v, corrente de 35 mA. (Elaborado pelo autor).

FIGURA 1.2 – Medidor de condutividade construído a partir do esquema proposto em  (PATRICK, 2009). Fios metálicos retirados de cabos rede do tipo UTP, um resistor 10k ohm ligados em uma mini placa de protótipo, medindo 4,5cm por 3,0cm e 2 conectores bornes nas extremidades. Ambos interligados a hastes de contato de cobre, medindo 3cm cada.

Ambos os sensores foram controlados por um Arduino modelo duemilanove (Arduino ®), o equipamento é composto por um microcontrolador 8 bits, modelo – Atmega 328-P, com 28 pinos. A condutividade do solo foi mensurada utilizando-se de um algoritimo na linguagem de programação C, embarcado no controlador. Este algoritmo tem a finalidade de computar a corrente de retorno recebida  por um porta de entrada do tipo analôgica, após o   envio de uma corrente de 5v emita por uma porta de saída do Arduino, afim de determina a resistencia entre os eletrodos dos sensores. A placa Arduino contém de 6 a 16 canais de 10 bits que, convertem analógico para digital. Ele mapeia tensões de entrada entre 0 e 5 volts, representados em números inteiros, no intervalo de 0 a 1023. Produzindo uma resolução de leitura de: 5 volts divididos por 1024 units. Contabilizando 4,9 mV por cada unidade (0,0049 volts) (MCROBERTS, 2011). A voltagem de retorno é o produto da entrada em inteiro (0-1023) e a resolução de leitura por unidade ( 5v / 1024). No entando, a resistencia em omhs é medida pela expressão: resistencia = ((corrente * resistor utilizado no sensor em ohms) / corrente de retono) – resistor utilizado no sensor em ohms. O valor da resistencia é utilizada para determinar a condutividade elétrica do solo em microSimens, representada no algoritimo pela expressão: microSimens = 1.0 / (resistencia / 1000000).

As coletas foram auxiliadas por um computador portátil modelo N3 Mobile, equipado com o software de plotagem de gráficos em tempo real KST®, para interface gráfica KDE®. Os dados de entrada foram coletados por uma porta USB ligada diretamente ao controlador Arduino e armezenadas em arquivo de texto simples no formato ASCII. E os dados obtidos foram utilizados para analise de correlação entre os fatores observados.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os sensores de condutividade elétrica por contato utilizados não apresentaram dificuldades operacionais. No entanto, a falta de um armazenador de dados e de uma tela para visualização das variáveis no conjunto, sensor e controlador, torna o sistema de monitoramento dependente de um computador para visualização e análise dos dados. Para facilitar estes fatores negativos, é necessária a inclusão no projeto do controlador, um dispositivo de memória para gravação dos dados e de um visor para apreciação visual das coletas.

Todos os 3 fatores analisados e coletados foram de escala positiva, tais como a condutividade elétrica, corrente de retorno e resistência aplicada. A Tabela 1 apresenta o resultado da análise estatística dos dados obtidos na coleta da corrente de retorno nas duas amostras observadas, na Tabela 2, a análise da variável resistência e, consecutivamente na Tabela 3, a condutividade obtida.

Figura 2 – Replica do sensor proprosto em (GERTZ, 2009). Foram adicionados dois rolos de papelão para isolar as astes.

Figura 2.1 –  Sensor de umidade Freaduino modelo OBSoil-01 em atividade durante a coleta e o visivel desgaste da aste esqueda do sensor. (Elaborado pelo autor).

TABELA 1. Corrente de retorno analisada nos sensores.

Amostra	Profundidade	Corrente máxima de retorno (v)	Corrente minima de retorno (v)	Corrente média de retorno (v)
Amostra 1	3 cm	4.22	4.17	4.1
Amostra 2	3 cm	3	2.77	2.83

TABELA 2. Resistência coletada nas duas amostras.

Amostra	Profundidade	Resistência   máxima %(ohms)	Resistência minima % (ohms)	Resistência média % (ohms)
Amostra 1	3 cm	20.5 %	20.5 %	19.30 %
Amostra 2	3 cm	80.59 %	66.77 %	76.63 %

TABELA 3. Condutividade elétrica do solo.

Amostra	Profundidade	Condutividade máxima (mS/cm 1)	Condutividade minima (mS/cm 1)	Condutividade média (mS/cm 1)
Amostra 1	3 cm	540	498	518
Amostra 2	3 cm	149	124	130

Observa-se que o sensor utilizado na Amostra 2 (GERTZ, 2009), sofre maiores impactos na variável resistência, Tabela 2. Este fator pode ser controlado calibrando os valores do resistor utilizado no circuito proposto, assim como as correlações da corrente de retorno não se assemelham por causa da presença de um componente amplificador no circuito do sensor utilizado na Amosta 1. Afetando, consecutivamente, a correlação da condutividade na Tabela 3. A corrente de retorno no sensor OBSoil-01 é semelhante a corrente de saída máxima informada pela fabricante, ou seja, 4.22 v, como descreve a Figura 1.1.

Figura 2.3 – Esquema elétrico do  sensor de umidade Freaduino modelo OBSoil-01. (Repositório digital da Elecfreaks®).

Apesar de nem um dos sensores utilizados apresentarem recomendações explicitas das profundidades adotadas nos testes, é sabido que não existem limites e sim áreas com maiores respostas ao campo eletromagnético gerado.  A camada de 3 centímetros de profundidade e  2cm de espessura, distância entre os eletrodos, são influenciadas pelas mesmas características em ambas as amostras analisadas. O fabricante do sensor utilizado na Amostra 1, determina valores analógicos de referência para a construção de algoritmos e analise da quantidade de água presente no solo em um pequeno jardim, Tabela 4.

TABELA 4. Faixa de valores.

Valor analógico	Situação
0 – 300	Solo seco
300 – 700	Solo úmido
700 – 950	Solo encharcado

Figura 3- Gráfico gerado para análise das três variáveis coletadas em tempo real e utilizadas como referência. Corrente de retorno em volts, resistência em ohms e a condutividade elétrica do solo medida em siemens, se mostraram dependentes. Quanto menor a quantidade de partículas de água no solo, maior é a resistência do solo, acarretando em uma corrente de retorno afetada para menor de que a corente de saída da porta do controlador (cinco volts).

CONCLUSÕES

A condutividade elétrica lida de 0 a 3 cm não apresentou dependência espacial, no entanto os os valores obtidos foram dissemelhantes nas amostras, indicando diferença físicas nos sensores ou por algum fator não analisado na coleta. A umidade do solo teve analogia positiva, de acordo com o esperado.

Os sensores de condutividade elétrica por contato utilizados nas duas amostras mostraram-se eficientes, contudo, limitados por não terem um coletor ligado ao controlador ou sistema de transmissão de dados por rádio propagação. O sensor de modelo Freaduino modelo OBSoil-01 após seu primeiro uso por 24 horas seguidas, apresentou no dia seguinte início de desgaste nos elétrodos que fazem contato direto com o solo, ao contrário do sensor utilizado em Amostra II.

Por: Noilson Caio Teixeira de Araújo, Xiankleber Cavalcante Benjamim

REFERÊNCIAS

MOLIN, José P. et al . Mensuração da condutividade elétrica do solo por indução e sua correlação com fatores de produção. Eng. Agríc.,  Jaboticabal,  v. 25,  n. 2, Aug.  2005.

KUSHNER, DAVID.  Making of Arduino. IEE. Out. 2011. Disponível em: <http://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/the-making-of-arduino/0>. Acessado em: 12 de jan. 2013.

FRAUENFELDER, MARK. The arduino revolution. Revista Make. O’reilly, n 25, 2011.

INAMASU, R. Y.; NAIME, J. de M.; RESENDE, A. V. de; BASSOI, L. H.; BERNARDI, A. C. de C. (Ed.). Agricultura de precisão: um novo olhar. São Carlos: Embrapa Instrumentação, 2011. p. 14-26.

GERTZ EMILY, DI JUSTO PATRICK. Environmental Monitoring with Arduino: Building Simple Devices to Collect Data About the World Around Us, 2009

KACHANOSKI, R.G.; GREGORICH, E.G.; WESENBECK, I.J. Van. Estimating spatial variations of soil water content using noncontacting electromagnetic inductive methods. Canadian Journal of Soil Science, Toronto, v.68, p.715-22, 1988.

JAYNES, D.B. Improved soil mapping using electromagnetic induction surveys. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON PRECISION AGRICULTURE, 3., 1996, Minneapolis. Proceedings… Minneapolis: P.C. Robert, R.H. Rust and W.E. Larson, 1996. p.169-79.

MCROBERTS, MICHAEL, Arduino Básico. 1. ed. 2011, pg 76. ISBN: 978-85-7522-274-4.

Elecfreaks. Documents. Disponível em: <http://www.elecfreaks.com/store/octopus-soil-moisture-sensor-brick-p-422.html&gt;. Acessado em: 12 de jan. 2013.