Mapeamento da Temperatura da água na Piscicultura
Artur Lima de Mello, Camila Viana Lessa Barbosa, João Vitor Marsaro Fidelis e Vinicius de Abreu Silva
Turma Especial de Projeto de Física Experimental I, Universidade Federal de Lavras
Lavras, MG, Brasil 17 de junho de 2021
1. Resumo
Este
projeto é uma alternativa de baixo custo, que se baseia na experimentação com
sensores térmicos para o mapeamento das temperaturas em tanques de
piscicultura, permitindo a extração dos dados em diferentes profundidades e sua
conjunta análise gráfica, comprovando ao fim sua aplicabilidade.
2. Introdução
Com
o passar do tempo, a questão alimentar humana se tornou cada vez mais elaborada
e complexa, sempre com a visão de maximizar os ganhos ao manejar determinada
cultura. Não diferente da agricultura, a criação de animais sofreu diversas
evoluções ao longo da história humana, partindo de um início com animais
terrestres, como o exemplo dos animais bovinos para corte e bovinos leiteiros,
suínos e vários tipos de aves. Atualmente, o manejo de inúmeras outras espécies
torna-se presente no nosso cotidiano, muitas vezes guiado pelas necessidades
econômicas no consumo humano e modalidades distintas de criação.
A
piscicultura consiste na criação de peixes e outros organismos, podendo ser
feita em diferentes lugares como mar, represas, lagos, lagos artificiais,
tanques de redes, tanques comuns, barragens ou viveiros. As duas principais
alternativas para trabalhar são a da construção de um lago artificial ou
viveiro. Essa atividade simples cresceu muito nos últimos anos e movimenta uma
parte importante da economia do mercado no Brasil atualmente.
Vantajosa,
possui utilização de pouca mão de obra e ainda permite o desenvolvimento de
outras atividades na propriedade em questão, como a agricultura ou a pecuária.
Há também a possibilidade desse manejo ser reduzido exponencialmente,
efetuando-o em tanques menores ou até em caixas d’água. Contudo, a falta de
espaço que o animal está inserido se mostra um problema sério e de urgente
solução, visto que a sensibilidade à temperatura que a água está torna fator
fundamental para seu bem estar e qualidade de vida.
Neste
projeto, será feito um estudo sobre a temperatura de um tanque em escala
reduzida, com o objetivo de compreendermos o comportamento da mesma em diferentes
ocasiões. Nele, serão dispostos sensores fixos de temperatura em diferentes
horários do dia em regime transitório, no que diz respeito à troca de água do
tanque.
3. Referencial Teórico
3.1. A importância da
temperatura na piscicultura
Na piscicultura, assim como em outras
criações, a qualidade da água é de suma importância para o sucesso da produção.
Ela é monitorada em observância a um grupo de características físicas e
químicas, chamadas de variáveis. São elas: temperatura, transparência, oxigênio
dissolvido, pH, amônia e salinidade. Todas essas variáveis afetam direta ou
indiretamente o desempenho e as condições de saúde dos peixes e, por isso,
precisam ser medidas periodicamente. O presente projeto tem como foco o
parâmetro temperatura.
A temperatura é um fator de extrema
importância para a piscicultura, pois os peixes, sendo animais pecilotérmicos,
sofrem influência direta da temperatura do ambiente em que vivem. Desse modo,
todas as atividades fisiológicas desses animais (respiração, digestão,
reprodução, alimentação) estão intimamente ligadas à temperatura da água. Cada
espécie tem uma temperatura na qual melhor se adapta e se desenvolve, sendo
essa temperatura chamada de temperatura ótima. As temperaturas acima ou abaixo
do ótimo influenciam de forma a reduzir seu crescimento.
- Altas temperaturas: Poucas
espécies resistem a temperaturas elevadas (acima de 35ºC), pois estão,
geralmente, associadas à diminuição nos teores de oxigênio dissolvido no meio
e, ao mesmo tempo, ao aumento no consumo de oxigênio. Além disso, o aumento de
temperatura também faz com que o
metabolismo dos peixes seja maior, fazendo com que o seu consumo de alimentos
aumente nas estações quentes do ano e, consequentemente, nessas épocas, a sua
taxa de crescimento também aumenta. Com base neste efeito, as práticas de
adubação, fertilização e alimentação são geralmente intensificadas no verão, e
reduzidas, ou paralisadas, no inverno em regiões temperadas ou subtropicais.
- Baixas temperaturas: Baixas temperaturas levam os peixes a
apresentar focos hemorrágicos levando, na maioria das vezes, à morte. Ademais,
temperaturas abaixo do ótimo podem provocar o enfraquecimento dos peixes devido
à diminuição da produção do muco protetor da pele, facilitando o ataque de
parasitas.
Além disso, os peixes apresentam uma baixa tolerância às variações
bruscas de temperatura (choque térmico). São consideradas variações bruscas as oscilações de, pelo menos, 3 a 5
ºC num mesmo dia. Essas variações são extremamente perigosas para os peixes,
sobretudo para os ovos, larvas
e alevinos, levando-os geralmente à
morte.
Diante do exposto, é possível compreender
a importância de monitorar todas as características da água, sobretudo sua
temperatura em tanques e açudes, já que condições inadequadas de qualidade da
água resultam em prejuízo ao crescimento, à reprodução, à saúde, à
sobrevivência e à qualidade dos peixes, comprometendo o sucesso dos sistemas de
aquicultura. Assim, atentando para todos os parâmetros mencionados, o piscicultor conseguirá manter seu negócio
saudável e lucrativo.
3.2. Como varia a
temperatura na água durante o dia
Como visto
anteriormente, a temperatura da água é um dos fatores mais significativos na
piscicultura, uma vez que ela está diretamente relacionada com as atividades
fisiológicas dos peixes. Dessa forma, é de extrema importância compreender como
varia essa temperatura durante o decorrer do dia.
A temperatura da
água em ambientes de criação, quando não é manipulada artificialmente, reflete
a temperatura do ar. Assim, a água esquenta ao receber radiação do sol quando a
temperatura do ar está mais alta e esfria quando está mais baixa. Vale destacar
que as mudanças de temperatura na água são mais lentas que no ar. Um exemplo
disso é o início de um dia de sol, após uma noite fria, quando a temperatura do
ar aumenta rapidamente, mas a água demora várias horas para aquecer. Ou ainda,
o final de um dia quente, quando a temperatura do ar logo cai ao pôr do sol,
mas a água permanece quente por algumas horas até começar a esfriar
A medição da
temperatura da água na piscicultura deve ser feita em regiões de diferentes
profundidades, dado que a luz e o calor se propagam na coluna d'água a partir
da incidência da radiação solar na superfície. Uma vez que há variação da
densidade da água com a temperatura, geralmente ocorre o fenômeno da
estratificação térmica dos corpos d'água, que consiste na formação de camadas
horizontais de água com diferentes densidades, ordenadas de forma que as menos
densas fiquem sobre as mais densas e que haja um pequeno grau de mistura entre
elas.
Em tanques rasos,
a estratificação térmica costuma apresentar-se em apenas duas camas e tem um
caráter diário, ou seja, durante o dia a camada superficial pode se separar da
camada profunda por gradiente de temperatura/ densidade. Entretanto, no período
noturno o perfil térmico tende a se homogeneizar, misturando as camadas
bruscamente e, conforme enunciado, os peixes em geral não são resistentes a
mudanças bruscas da temperatura da água, e tendem a buscar sua zona de conforto
térmico dentro destas camadas.
Sendo assim,
mudanças durante o dia na temperatura da água podem induzir o desequilíbrio
fisiológico (o chamado “stress”) e provocar a morte dos peixes em um tanque,
fazendo-se necessário o cuidado no manejo ou manuseio de peixes diariamente e,
sobretudo, épocas onde a amplitude diária é mais acentuada, como por exemplo no
final do outono, inverno e início da primavera.
4. Objetivos
O
projeto tem como principal objetivo construir um dispositivo de baixo custo,
que meça a temperatura da água em tanques de pequeno e médio porte, em pontos
específicos de interesse durante o decorrer do dia, e extraia esses dados para
que seja possível trabalhar com eles de forma a ajudar o piscicultor em suas
dificuldades relativas à temperatura da água nos tanques de piscicultura.
Para
demonstrar a funcionalidade do projeto e comprová-la
fez-se necessário realizar uma experimentação e, posteriormente, confrontar os
dados obtidos com a literatura.
De
acordo com a literatura apresentada, em tanques rasos a estratificação térmica
geralmente apresenta-se em apenas duas camadas e tem um caráter diário. Ademais, em tanques de piscicultura a água é renovada
frequentemente de diferentes maneiras, de acordo com o tipo de tanque. Essa recirculação de água é
necessária, pois garante a remoção de
restos da ração para peixe que geram microrganismos prejudiciais. A temperatura
da água que entra, por sua vez, influencia diretamente na temperatura da água
que já se encontra no tanque.
Dessa
forma, a experimentação é feita em uma caixa d’água em funcionamento e em duas
etapas. A primeira etapa consiste em medir a temperatura em três diferentes
profundidades, superfície, meio e fundo. A segunda consiste em utilizar um dos
sensores dispostos nas duas profundidades em que não houve uma considerável
variação de temperatura, para medir a temperatura da água que entra na caixa
d’água. Assim, feita a experimentação, os dados poderão ser extraídos e
confrontados com a literatura para validar ou não o projeto.
Com o
projeto validado e dispondo de todos dados (numéricos e gráficos), o trabalho
poderá ser estendido à Piscicultura e cumprir com seu propósito maior: auxiliar
os piscicultores a controlar as temperaturas da água nos tanques de acordo com
a necessidade do cultivo em questão.
5. O Projeto
5.1. Visão Geral do
Projeto
Com a motivação e os objetivos
apresentados, este projeto tem como base a medição da temperatura em tanques de
piscicultura nas regiões de interesse definidas pela literatura apresentada. A
peça central do projeto é o microcontrolador Arduino, que será responsável por
receber os dados de sensores para que possam ser tratados e confeccionados os
gráficos de interesse. Uma vez que se foi trabalho com medições em um ambiente
aquático, seriam necessários sensores que pudessem operar abaixo d'água, para
isso, foi utilizado o sensor de temperatura à prova d'água Ds18b20, que é capaz
de extrair dados de temperatura em ambientes secos ou úmidos. Com o objetivo de
trabalhar em tanques de pequeno e médio porte, registrando a temperatura em
cada uma das faixas de temperatura definidas pelo fenômeno da estratificação
térmica, optou-se pela utilização de três sensores com fio de comprimento de 3
metros, permitindo alcançar diversas profundidades em tanques com
aproximadamente 3 metros de profundidade.
Além disso, a medição da temperatura
ambiente para definir as condições de operação é relevante para relacionar com
a variação da temperatura da água nas faixas definidas pela estratificação e
assim, proporcionar um estudo completo do tanque em questão. Para isso, fez-se
uso do sensor de temperatura e umidade DHT11, que proporciona a medição da temperatura
e umidade do ar, sendo posicionado de forma que esteja em contato com o
ambiente, extraindo dados da temperatura ambiente e da umidade relativa do ar
no momento das medições da temperatura da água.
Para registrar os dados extraídos
pelos sensores com o Arduino, seria necessária a utilização de um computador
conectado ao projeto para que os dados pudessem ser exibidos na tela do
computador. Entretanto, devido à inviabilidade de posicionar um computador nas
proximidades de tanques de piscicultura e mantê-lo em funcionamento durante
aproximadamente 24 horas para o estudo total do fenômeno da estratificação,
este projeto faz uso de um módulo de cartão micro SD que pode ser conectado ao
Arduino, de modo que os dados extraídos possam ser armazenados em um cartão de
memória micro SD e posteriormente analisados em computadores ou celulares.
Ademais, com a falta de um computador, o projeto conta também com dois LEDs, um
vermelho e um verde, para a identificação visual do funcionamento correto dos
equipamentos, ativados por meio do código programado e inserido no
microcontrolador.
Em consequência da não utilização do
computador, é necessário que o Arduino seja alimentado por uma fonte de tensão
externa, papel desempenhado por uma bateria de 9V, capaz de alimentar o Arduino
e os componentes eletrônicos do projeto durante o tempo necessário. Por fim,
para facilitar a conexão dos componentes a serem utilizados, utiliza-se uma
placa protoboard para montar o circuito.
O código de programação responsável
por controlar o projeto, de forma simplificada, extrai as temperaturas de cada
um dos sensores de temperatura inseridos na água, registrando assim a
temperatura em cada uma das faixas geradas pelo fenômeno da estratificação onde
foram posicionados. Analogamente, extrai a temperatura e umidade do ar ambientes
onde está posicionado. Tais medições são realizadas em um intervalo de 15
minutos, para que seja possível a visualização de quedas bruscas de temperatura
e funcione totalmente durante 24 horas. Com os dados extraídos, o
microcontrolador os armazena em um cartão micro SD fazendo o uso do Módulo
Cartão Micro SD e dos LEDs, acionando o LED na cor verde caso o cartão de
memória seja inserido corretamente e esteja capaz de armazenar os dados e
acionando o LED vermelho caso o cartão esteja corrompido ou não esteja em pleno
funcionamento.
Dessa forma, o projeto realizará as medições
periódicas previstas em tanques de pequeno e médio porte, armazenando os dados
em um cartão micro SD e proporcionando sua posterior visualização em gráficos
para a verificação de regiões em que a temperatura do tanque esteja fora da
faixa especificada pelo piscicultor e em qual momento do dia ela acontece,
permitindo ainda ações para evitar o indesejado.
5.2. O Circuito
Eletrônico
Tendo em vista a descrição do
projeto, o circuito eletrônico que garantirá o seu pleno funcionamento conforme
os objetivos traçados foi confeccionado como mostra a figura a seguir:
Na montagem em questão, o Arduino
Uno está conectado a uma fonte de tensão, neste caso uma bateria de 9 volts,
uma vez que o microcontrolador pode ser alimentado por uma fonte externa com
uma tensão entre 7 e 12V, por meio do conector Jack, como mostra a figura.
Através das portas de alimentação, o Arduíno fornece uma tensão de 5V para a
protoboard, onde será esquematizado o circuito. Sendo assim, o jumper indicado
pela cor vermelha sai da porta de 5V do Arduino e alimenta a protoboard na
linha positiva. Da mesma forma, o jumper indicado pela cor preta está conectado
à porta GND do Arduino e alimenta a linha negativa da protoboard.
Com os 5V de alimentação advindos do
Arduino, é possível conectar os sensores Ds18b20, responsáveis pela medição da
temperatura abaixo d’água. Tais sensores possuem três fios em seu interior,
dois deles (vermelho e preto) relacionados à alimentação, conectados nos pinos
de alimentação da protoboard e o outro (amarelo), relacionado à extração dos
dados do sensor de temperatura. Uma vez que os sensores Ds18b20 utilizados
neste projeto possuem a comunicação “OneWire”, é possível a conexão de
múltiplos sensores em uma única porta digital do Arduíno. Dessa forma, os três
sensores foram conectados de forma que ambos estejam na porta digital 3 do
Arduíno. Além disso, foi necessária a ligação de um resistor de “pull-up” entre
o fio de alimentação e o fio dos dados do sensor para garantir o funcionamento
e uma leitura estabilizada dos dados na porta digital. Conforme o datasheet do
fabricante, este resistor pode ter uma resistência entre 4,7 kΩ e 10 kΩ. Neste
caso, foi utilizado um resistor de 10 kΩ.
O sensor DHT11, responsável pela
medição da temperatura ambiente e da umidade relativa do ar, localizado no
bloco superior da protoboard, também é alimentado com os 5V fornecidos pelo
Arduíno, fazendo assim a conexão através de jumpers (vermelho e preto, na
imagem acima) dos pinos VCC e GND. O pino responsável pela leitura dos dados
está conectado na porta digital 7 do micro controlador por meio de um jumper
(marrom) indicado na figura acima.
O módulo de cartão de memória,
encarregado de receber os dados do projeto e gravá-los em um cartão de memória
removível, também está localizado na parte superior da protoboard e da mesma
forma que os outros sensores, é alimentado com 5V fornecidos pelo Arduíno. Com
os pinos GND e VCC conectados por jumpers na alimentação (preto e vermelho,
respectivamente), o módulo de cartão SD, necessita ainda da ligação dos outros
pinos do módulo para seu funcionamento e recebimento dos dados. A ligação
destes pinos é feita de forma padronizada para cada modelo de Arduíno, como será
apresentado. Portanto, utilizando o Arduíno Uno, o pino CS é conectado na porta
digital 10 (jumper azul), o pino SCK é conectado na porta digital 13 (jumper
laranja), o pino MOSI é conectado na porta digital 11 (jumper verde) e o pino
MISO é conectado na porta digital 12 (jumper branco).
Por fim, foram conectados dois LEDs,
um na cor vermelha e outro na cor verde, que, diante do código inserido no Arduíno,
são responsáveis pela indicação e confirmação do reconhecimento ou não do
cartão micro SD inserido no módulo. Para cada um, foi utilizado um resistor de
220Ω, que diminui a tensão e faz com que os LEDs não se queimem, já que estão
alimentados com 5V advindos do Arduino.
A versão esquemática do projeto
também pode ser vista e é apresentada a seguir:
Ambas as representações apresentadas
neste projeto foram realizadas mediante o uso do software Fritzing, software
gratuito e open-source.
5.2.1. Componentes do
Circuito
5.2.1.1. Sensor de Temperatura Ds18b20
à Prova d’água (Tipo sonda)
De modo geral, sensores de temperaturas
são analógicos fornecendo um valor de tensão ou corrente que é interpretado
pelo Arduino (ou outro microcontrolador) para então ser mostrado como uma
temperatura. Entretanto, o sensor Ds18b20 têm a particularidade de ser digital,
sendo capaz de ler a temperatura, interpretá-la e enviar a informação do valor
de temperatura em graus Celsius para o microcontrolador.
De acordo com seu datasheet, pelo
fato de o sensor apresentar apenas um fio para o envio de dados, é necessário o
uso de um resistor pull-up, ou seja,
um resistor entre o fio de alimentação e o fio dos dados do sensor para
garantir o funcionamento e uma leitura estabilizada dos dados na porta digital.
Conforme o datasheet do fabricante, este resistor pode ter uma resistência
entre 4,7 kΩ e 10 kΩ.
O Ds18b20 conta com precisão de ±
0,5°C na faixa de medição entre -10°C e 85°C e apresenta faixas distintas de
medição através da seleção a resolução de leitura que varia de 9 a 12 bits,
tendo uma resolução de 0,5°C em 9 bits, 0,25°C em 10bits, 0,125°C em 11 bits e
0,0625°C em 12 bits, essa última a resolução padrão.
Como funções adicionais o sensor
conta com alarme programável, sendo possível realizar uma configuração
definindo uma temperatura mínima e máxima, determinado uma faixa de temperatura
onde os valores que estão fora dessa faixa disparam o alarme; um modo de
ligação chamado de Modo Parasita, onde a energia de alimentação do sensor é
feita através da linha de dados. Este modo só pode ser utilizado em casos de
medição de tensão de acima de 100°C e requer o uso de outros componentes para
seu funcionamento.
Em linhas gerais, suas principais Características são:
• Tensão de operação:
3 a 5VDC;
• Consumo: 1,5mA;
• Comunicação One
Wire;
• Faixa de medição:
-55° a 125°C;
• Resolução de saída:
9 a 12 bits (programável);
• Tempo de conversão:
750ms (12-bits);
• Precisão: ± 0,5
entre -10°C e 85°C;
• Comprimento do
cabo: pode ser encontrado de 1m, 2m ou 3m
5.2.1.2. Módulo Cartão Micro SD
Atualmente os dois métodos mais
conhecidos para gravação de dados junto ao Arduino é a utilização de cartões de
memória SD e o uso de memórias EEPROM. O empecilho na utilização de memórias
EEPROM é a sua dificuldade de verificações externas, já que não possui formas
simplificados de conexão a um computador e envio dos dados para um arquivo .txt
para leitura externa em computadores, por exemplo.
Dessa forma o módulo de cartão micro
SD se apresenta como um dispositivo para a leitura de informações e a escrita
de dados de maneira rápida e prática já que permite o trabalho com arquivos no
formato .txt e faz uso de um cartão micro SD (extremamente comum atualmente em
smartphones, por exemplo) sem nenhum tipo de adaptador.
Uma particularidade que permite uma
maior capacidade de leitura e execução de dados é o fato do Módulo Cartão Micro
SD possuir a capacidade de reconhecer e ler dois tipos de cartão de memória: o
cartão Micro SD tradicional e o Micro SDHC, este último um cartão de memória de
alta velocidade.
No caso do Arduino UNO, as ligações dos pinos SCK, MISO, MOSI E CS correspondem respectivamente aos pinos 13, 12, 11 e 10 enquanto que no Arduino MEGA, são respectivamente compatíveis com os pinos 52, 50, 51 e 53. Essa correlação entre os pinos do módulo e as portas do microcontrolador Arduino a depender do modelo pode ser simplificado através da tabela a seguir:
Tais ligações podem ser realizadas
de modo que os pinos do Módulo sejam conectados junto a Porta Digital
correspondente do Arduino diretamente, uma vez que este Módulo opera em nível
lógico de 3,3V e o já possui um divisor de tensão embutido para que a
comunicação entre o módulo e o microcontrolador de nível lógico 5V possa
ocorrer normalmente. Ademais, sua alimentação é feita em uma tensão na faixa
entre 4,5 e 5V.
Com relação ao formato do cartão de
memória, podem ser utilizados cartões nos formatos FAT e FAT32, e segundo o
fabricante é possível o uso cartões de memória micro SD partindo de 2 GB e
cartões micro SDHC (high-speed) até 32 GB.
De modo geral, segundo seu
datasheet, suas especificações gerais são:
• Nível lógico: 3,3V
(divisor de tensão já embutido no módulo)
• Tensão de operação:
4,5 a 5,5V
• Interface de
comunicação: SPI
• Cartões compatíveis:
micro SD Card / SDHC
• Dimensões
(Comprimento x Largura x Altura): 42 x 24 x 3,5mm
O Sensor de Umidade e Temperatura
DHT11 é um sensor de temperatura e umidade que possibilita leituras de
temperaturas entre 0 a 50 Celsius e umidade entre 20 a 90%. É um sensor simples
e de fácil uso, porém requerem cuidado quando utilizados para a realização de
duas leituras consecutivas, onde é necessário um intervalo de, no mínimo, 1
segundo entre uma leitura e outra, por este motivo é também considerado um
sensor de baixo custo.
O sensor possui 4 pinos,
que, de acordo com o datasheet, dois são correspondentes a alimentação: VCC
(alimentado com tensão de 3,5 a 5V) e GND, um referente a comunicação dos dados
e outro que não apresenta conexão. Ainda segundo o fabricante, a transmissão
digital pode ser realizada por um cabo de até 20 metros., porém caso sofra
uma longa exposição ao sol, o sensor poderá ter sua performance afetada.
De modo geral, as especificações do
DHT11 são:
•
Faixa de medição de umidade: 20 a 80% UR
•
Precisão de umidade de medição: ± 5,0% UR
•
Faixa de medição de temperatura: 0º a 50ºC
•
Precisão de medição de temperatura: ± 2.0 ºC
•
Alimentação: 3,5 a 5V
•
Corrente: consumo máximo de 2,5mA
•
Tempo de resposta: 2 segundos
•
Dimensões: 23 x 12 x 5mm (incluindo terminais)
5.2.1.4. Arduino UNO
De modo geral, sua estrutura básica
é composta por entradas digitais e analógicas, um microcontrolador e conexões
para alimentação e para interação com um computador a depender do modelo de
Arduino utilizado. Neste projeto, o modelo utilizado foi o Arduino UNO,
composto por 14 entradas digitais, 6 entradas analógicas, com uma tensão de
operação de 5V e podendo ser alimentado por um cabo USB ou uma fonte externa
com tensão entre 7,5 e 12V.
Suas especificações gerais, conforme
o fabricante são:
•
Microcontrolador: ATmega328P
•
Tensão de operação: 5V
•
Tensão de alimentação (recomendada): 7 - 12V
•
Entradas e saídas digitais: 14
•
Entradas analógicas: 6
•
Dimensões: 68.6 mm x 53.4 mm
•
Peso: 25 g
5.2.1.5. Placa de Ensaio ou
Protoboard
Uma placa de ensaio (geralmente
conhecida como protoboard, do inglês) é uma placa com furos e conexões
condutoras, utilizada para fazer montagens provisórias, protótipos, teste de
projetos ou até mesmo projetos finais, além de inúmeras outras aplicações. Sua
arquitetura é formada por uma base plástica, com orifícios destinados à
inserção de terminais de componentes eletrônicos, onde internamente existem
ligações determinadas que interconectam tais orifícios, permitindo a montagem
de circuitos eletrônicos. Uma grande vantagem de seu uso é a possibilidade de
componente ser facilmente retirados para serem utilizados posteriormente em
novas montagens, uma vez que a ligação de componentes em uma protoboard não
necessita de soldagem.
A protoboard organiza seus orifícios de forma que fiquem dispostos em colunas e linhas, em que, as linhas estão posicionadas nas extremidades e as colunas no centro (tendo como referência a protoboard na vertical, como mostra a imagem). As colunas, onde são inseridos os componentes eletrônicos do circuito (também chamada de área de trabalho), são formadas por orifícios verticalmente conectados entre si e não possuem conexões internas com outras colunas. De forma análoga, as linhas, por onde é feita a alimentação do circuito, possuem orifícios conectados de forma horizontal (em uma mesma linha) e são eletricamente independentes, ou seja, não há conexão elétrica entre os furos de uma linha e de outra.
A imagem a seguir ilustra uma
protoboard e suas interligações:
As placas variam de 800 furos até
6000 furos que geralmente suportam correntes entre 1A e 3A.
5.2.1.6. LEDs
Basicamente o LED é um diodo
semicondutor emite luz visível quando é energizado, transformando energia
elétrica em energia luminosa, processo que é chamado de eletroluminescência. A
luz emitida pelo LED não é monocromática como de um laser, mas sim uma faixa
pequena de cores determinadas pelo processo de dopagem que consiste em
modificar atomicamente o cristal presente no componente.
A vantagem de sua utilização se dá
pelo seu baixo consumo de energia elétrica, com alto rendimento (pouca
dissipação de energia) e longa vida útil.
Resistores
são dispositivos elétricos geralmente utilizados para controlar a passagem de
corrente elétrica em circuitos elétricos por meio do efeito Joule que converte
energia elétrica em energia térmica. A característica destes componentes é
resistência à passagem de corrente elétrica através de seu material, chamada de
resistência elétrica ou impedância, que possui como unidade o ohm.
Seu
funcionamento baseia-se em causar uma queda de tensão no local em que for
posicionado no circuito elétrico, não causando diretamente uma queda de
corrente elétrica, ou seja, a corrente elétrica que entra em um terminal do
resistor é exatamente a mesma que sai pelo outro, porém com uma queda de
tensão, com isso, o fluxo de corrente é controlado.
Os
resistores podem ser fixos ou variáveis, aqueles cuja resistência elétrica
varia com a temperatura são chamados de termorresistores, aqueles que variam de
resistência quando iluminados, que são chamados de fotorresistores e os que
apresentam resistência fixa (ideais), conhecidos como resistores ôhmicos.
A
resistência dos resistores e sua tolerância são identificados por uma sequência
de cores impressa no próprio corpo do resistor, conhecida como código de cores.
5.2.2. O Código
O código de programação elaborado para dar funcionamento ao
projeto e coordenar o conjunto de operações necessárias para alcançar os
objetivos traçados está apresentado a seguir:
// ---- Bibliotecas ----
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <SD.h>
#include <SPI.h>
#include <dht.h>
// ----- Mapeamento -----
#define
DS18B20_OneWire 3
#define dht_pin 7
// ----- Declaração de Objetos ------
OneWire oneWire(DS18B20_OneWire);
DallasTemperature sensortemp(&oneWire);
dht my_dht;
File myFile;
// ----- Variáveis ------
int pinoSS = 10;
int ndispositivos = 0;
float
temperatura_interna;
float
temperatura_amb = 0x00;
float umidade_ar =
0x00;
// ---- Configurações -----
void setup() {
sensortemp.begin();
sensortemp.setResolution(12);
pinMode(pinoSS, OUTPUT);
pinMode(4,OUTPUT);
pinMode(5,OUTPUT);
if (SD.begin()){
digitalWrite(4,HIGH);
delay(2000);
digitalWrite(4,LOW);
}
else {
digitalWrite(5,HIGH);
return;
}
myFile = SD.open("dados.txt", FILE_WRITE);
if (myFile){
myFile.print("Encontrados ");
ndispositivos = sensortemp.getDeviceCount();
myFile.print(ndispositivos,
DEC);
myFile.println(" dispositivos.");
myFile.println("");
myFile.close();
return;
}
}
// ----- Loop ------
void loop() {
//
Leitura da Temperatura Interna
sensortemp.requestTemperatures();
for
(int i = 0; i <
ndispositivos; i++) {
myFile = SD.open("dados.txt",
FILE_WRITE);
if (myFile) {
myFile.print("Sensor
");
myFile.print(i+1);
myFile.print(": ");
temperatura_interna
= sensortemp.getTempCByIndex(i);
myFile.print(temperatura_interna);
myFile.println("ºC");
myFile.println("");
myFile.close();
}
else {
digitalWrite(5,HIGH);
return;
}
}
//Leitura da Temperatura e Umidade Externa
my_dht.read11(dht_pin);
temperatura_amb = my_dht.temperature;
umidade_ar = my_dht.humidity;
myFile = SD.open("dados.txt", FILE_WRITE);
if (myFile) {
myFile.print("Temperatura Ambiente: ");
myFile.print(temperatura_amb);
myFile.print("°C");
myFile.print("\t");
myFile.print("Umidade do ar: ");
myFile.print(umidade_ar);
myFile.print("%");
myFile.println("");
myFile.println("---------------------------------");
myFile.println("");
myFile.close();
}
else {
digitalWrite(5,HIGH);
return;
}
delay(900000);
}
Inicialmente começamos pela
importação das bibliotecas que representam um conjunto de instruções
desenvolvidas para executar tarefas específicas relacionadas a um determinado dispositivo.
Muitas das vezes, para o uso de sensores e outros componentes em um Arduino, é
necessário um conjunto de operações lógicas complexas para realizar uma simples
ação, com isso, as bibliotecas armazenam tais operações e agrupam em um único
comando a ser inserido pelo usuário, deixando o código mais simples e
organizado. O ambiente de desenvolvimento dos códigos para o Arduino, a IDE,
permite a importação de bibliotecas por meio de arquivos zipados (.zip)
baixadas externamente em fóruns da comunidade ou por meio da janela de pesquisa
e download de bibliotecas. Além disso, algumas bibliotecas já estão inseridas
na própria IDE apenas necessitando do comando para importá-las.
Conforme visto, o Sensor DS18B20
produzido pela empresa Dallas Instruments utiliza protocolo de comunicação
OneWire cujo qual é bastante complexo em termos de programação e requer uma
quantia de variáveis considerável para a análise de comunicação. Deste modo,
para auxiliar no desenvolvimento do código e diminuir sua complexidade,
utilizamos a biblioteca “DallasTemperature.h” para verificação de endereço de
cada sensor e interpretação de dados obtidos.
Para auxiliar a biblioteca Dallas,
incluímos também biblioteca “OneWire.h”, que é responsável por assegurar o
sistema de comunicação por um fio e consequentemente a interpretação dos dados
gerados pelos sensores DS18B20 através de um único pino do Arduino.
#include
<OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
Ambas as bibliotecas foram incluídas
através da IDE do Arduino...
Para a utilização do Módulo Cartão
Micro SD no projeto, também é necessário o uso de duas bibliotecas já
disponíveis na IDE Arduino que estão relacionadas ao sistema de comunicação SPI
e o reconhecimento do cartão micro SD, bem como a criação de um arquivo .txt e
escrita dos dados em seu interior. Portanto, fazemos a inclusão das bibliotecas
“SD.h” e “SPI.h”
#include
<SD.h>
#include
<SPI.h>
Por fim, para o uso do sensor de
temperatura e umidade DHT11, também se fez necessário o uso de uma biblioteca
que facilita sua utilização e simplifica o código, neste caso a biblioteca
usada foi a biblioteca “dht.h”, baixada e inserida por meio da
opção de inclusão de bibliotecas .zip no IDE do Arduino
#include <dht.h>
Na seção de mapeamento, fazemos o
registro dos componentes que estão localizados nas portas digitais do Arduino,
fazendo com o número da porta seja facilmente identificado pelo componente que
ali está conectado. Definimos, portanto, a porta digital 3 como correspondente
ao conjunto de sensores de temperatura DS18B20, chamados no código de “DS18B20_OneWire” e a porta digital 7 relacionada ao
sensor de temperatura e umidade DHT11, nomeado por “dht_pin”.
#define
DS18B20_OneWire 3
#define
dht_pin 7
Na seção seguinte, é feita a
declaração dos objetos utilizando as bibliotecas importadas, para a realização
das funções solicitadas. Primeiramente, utilizando a biblioteca “OneWire.h”, é criado o objeto “oneWire” referenciando a porta onde estão conectados os sensores
DS18B20 (definida como “DS18B20_OneWire”,
que é referente à porta 3). Em seguida, com a biblioteca “DallasTemperature.h”, criamos o objeto “sensortemp” que usará em conjunto o objeto criado anteriormente (“&oneWire”). Além disso, também é necessário
criarmos objetos para o uso do Módulo Cartão Micro SD e do sensor de
temperatura e umidade DHT11. Para o DHT11, utiliza-se a biblioteca " dht.h " para criar um objeto que corresponde ao sensor
utilizado no projeto, neste caso, nomeado por "my_dht ".
Para o Módulo Cartão Micro SD é criado um
objeto utilizando a função " File " das bibliotecas importadas
para referenciar o arquivo que será criado no cartão de memória, este chamado
de "myFile ".
Em seguida, na seção de declaração
de variáveis, são criadas variáveis que serão relevantes para o funcionamento
do código. A primeira "pinoSS
", de tipificação de número inteiro (“int”), recebe o numeral 10 e corresponde a porta do Arduino em
que está inserido o pino CS (também conhecido como SS) do Módulo Cartão Micro
SD, responsável pela comunicação entre o Arduino e o cartão de memória. A
variável de número inteiro "ndispositivos" será responsável por armazenar o número de sensores
DS18B20 que estão conectados no barramento, no processo de leitura dos dados
destes sensores. O valor 0 foi atribuído apenas para a declaração da variável.
Posteriormente definimos as variáveis de ponto flutuante (“float”) que armazenarão os dados
respectivos as temperaturas e umidade lidas: "temperatura_interna" referente a temperatura
interna lida pelos sensores DS18B20, "temperatura_amb" correspondente a temperatura ambiente lida pelo
sensor DHT11 e "umidade_ar"
relacionada a umidade do ar também lida pelo sensor DHT11.
O "void setup()" que será executado apenas uma vez pelo Arduino,
define as configurações do sistema que foi montado. Inicialmente chamamos a
função "begin()" que
inicializa o barramento de dados dos sensores DS18B20 conectados e em seguida,
atribui uma resolução de 12 bits a estes sensores. Posteriormente, por meio da
função ”pinMode”, definimos a tipificação do pino
correspondente a transferência de dados para o cartão de memória, sendo ele do
tipo OUTPUT, possibilitando o envio de dados,
definimos também os pinos 4 e 5 da mesma forma para que possam enviar
informações aos LEDs onde estão conectados. Seguindo o código, temos um
conjunto condicional que nos permite visualizar a inicialização do cartão de
memória, onde, por meio da função "begin()" o cartão de memória é inicializado, caso este
processo ocorra com sucesso, o programa envia uma informação para acender o LED
verde (conectado na porta 5), indicando que o procedimento foi bem sucedido.
Caso este processo apresente algum erro e não consiga inicializar o cartão
micro SD, talvez por um cartão danificado ou mal colocado, o programa emite a informação
de acender o LED vermelho (conectado na porta 4). Após este processo, com a
função "open" da biblioteca "SD.h", o programa abre o cartão de
memória e cria um arquivo .txt chamado "dados" e o programa para a escrita
de informações em seu interior por meio do comando "FILE_WRITE". Caso este processo seja bem
sucedido, o programa inicia a verificação da quantidade de sensores DS18B20
conectados por meio da função “getDeviceCount()”, armazena na variável "ndispositivos" e grava no cartão de memória inserido a informação do
número de dispositivos localizados e fecha o arquivo após a gravação dos dados
com a função "close()"
O "void loop()" é responsável pela leitura e armazenamento dos dados
que desejam der obtidos com os sensores conectados, sendo executado em loop
pelo Arduino enquanto ele estiver em funcionamento. Nesta seção, primeiramente
faz-se a requisição das temperaturas internas (corresponde ao interior do
tanque de medição) lidas pelos sensores DS18B20 no barramento por meio da função
"requestTemperatures()". Logo após isso, inicia-se o procedimento de leitura
em cascata dos sensores DS18B20 através do loop simples pelo comando "for (int i = 0; i < ndispositivos; i++)", em que é feita a leitura de cada sensor de forma
aleatória, porém ordenada sempre com a mesma sequência. Ao serem inicializados,
foi atribuído a cada sensor um número natural “i” dentro do número total de sensores do projeto, dessa
forma, o programa é capaz de identificar cada sensor individualmente e ler a
temperatura de "i " (de
um total de n sensores) por meio do comando “getTempCByIndex(i)”. Neste procedimento
de leitura, o programa abre novamente o arquivo .txt criado e armazena a
temperatura de cada sensor (já lida em graus Celsius, no cartão de memória) de
forma ordenada, até que sejam lidos todos os sensores do barramento e fechando
o arquivo após a escrita. Caso o procedimento de abertura do arquivo .txt
criado e escrita no cartão de memória não seja realizado corretamente, o
programa aciona o LED vermelho para a indicação.
Após este conjunto de operações, o
programa segue para a leitura da temperatura ambiente e umidade no sensor
DHT11, inicialmente programando-o para que sejam lidas as informações por ele
extraídas através comando "read11" e em seguida armazenando nas variáveis criadas no
início a temperatura lida com o comando "temperature" e, analogamente, a umidade com o comando "humidity", ambos executados para o objeto referente ao sensor
DHT11 (“my_dht”).
Novamente o programa registra essas temperaturas no cartão de memória
fechando-o após a operação. Da mesma forma que o caso anterior, se o
procedimento de abertura do arquivo .txt criado e escrita no cartão de memória
não seja realizado corretamente, o programa aciona o LED vermelho para a indicação.
A última linha do código indica o
tempo em que o Arduino ficará parado em milissegundos por meio da função "delay", onde foi especificado o
intervalo de 15 minutos (900000 milissegundos) para que o Arduino volte a
executar o loop, iniciando uma nova sequência de leitura das temperaturas da
água, da temperatura ambiente e umidade do ar.
6. Metodologia
6.1. Ideia Geral de
Funcionamento do Projeto
Considerando
o objetivo já traçado para o projeto, a abordagem a ser utilizada para modelar,
a priori, um bom mapeamento da temperatura seguirá as recomendações da Embrapa,
as quais orientam que as zonas críticas para tomadas de temperatura devem ser
no fundo, na área central e no topo do recipiente. Considerando os recursos
limitados para a execução do projeto, foi pensado em primeiro lugar que os
sensores de temperatura sejam dispostos como esquematizado no modelo 3D a
seguir.
Seguindo então esse esquema simplificado, serão
organizados os sensores nestes 3 pontos do plano XY da superfície: o ponto à
esquerda em
Definidos
os pontos do plano XY superficial, a profundidade deve ser pensada no eixo Z.
Será, então, definida a altura do tanque inicialmente genérica z, e dividida
nas 3 zonas esquematizadas na figura, todas com mesma altura
A
ideia principal é deixar o medidor coletando dados por grandes e críticos
intervalos de tempo, como durante a noite, para analisar como se comportará a
queda de temperatura em uma determinada estação do ano e suas possíveis quedas
ou saltos. Desta forma, sendo inviável deixar o computador ligado recebendo os
dados, será montado então um circuito que permitirá extrair estas informações
para um cartão de memória, e posteriormente exportada para o computador
interpretar estes dados. Será montado um circuito utilizando o Arduíno, uma
protoboard, conectores do tipo jumper, alguns LEDs e alguns resistores. O
circuito, então, será construído em uma protoboard com os componentes
específicos, devendo apenas soldar os cabos dos sensores de temperatura com as
pontas necessárias para que sejam compatíveis com as entradas da protoboard.
Além
disso, o cartão de memória precisará de um módulo específico Leitor e Gravador
para o Arduíno guardar esses dados, e no período em que o circuito não estiver
sendo alimentado pelo computador, será então alimentado pela fonte portátil de
energia, neste caso definida uma bateria.
Assim,
os dados serão armazenados no cartão SD em um arquivo de texto, que irá
registrar os dados tomados pelos sensores segundo a programação do Arduíno. Será
possível, posteriormente, exportar estes dados para o computador através do
cartão de memória e modelá-los em gráficos no software Excel, permitindo
interpretar os valores medidos ao montar gráficos diferentes das temperaturas
em função do tempo. É importante destacar que o horário de medição inicial deve
ser anotado, pois o dispositivo será capaz somente de guardar as medições de
temperatura, e os dados temporais deverão ser registrados manualmente de acordo
com o intervalo de tempo pré-estabelecido na programação do Arduíno. Neste
caso, medidas tomadas de 15 em 15 minutos. Com esta abordagem, será possível
então montar 3 gráficos, um para cada ponto de interesse, e mapear a
temperatura nestas 3 alturas com o passar do tempo.
Destaca-se,
ainda, que o projeto contará com um sensor DHT11, que fará leituras e registros
da temperatura ambiente e umidade do ar, sendo possível monitorar e entender
como as temperaturas do próprio tanque variam durante o dia de acordo com o
ambiente externo. Sendo assim, com todos estes quatro gráficos, o usuário será
capaz de entender como a temperatura da água de sua criação se comportará em
cada altura de coluna líquida, sendo possível então a aplicação do projeto no
contexto da piscicultura para evitar a morte de seus peixes por descuidos na
temperatura.
Portanto,
mais do que a construção de um dispositivo capaz de monitorar a temperatura da
água de sua criação, o projeto em questão visa trazer o estudo destas
aplicações para avaliar a sua eficiência em uma situação real de tanque de
criação de peixes. Isso será, então, viabilizado pela análise gráfica do
comportamento da temperatura nos pontos de interesse, em alguns tanques de
caixas d’água.
6.2.
Montagem do Projeto
O
esquema apresentado no tópico anterior visa dar uma ideia geral da aplicação do
projeto. Na impossibilidade de aplicá-lo em um local de criação real de peixes,
a montagem será simplificada em uma caixa d’água caseira, que conta com fluxo
de água constante durante todo o período de montagem e coleta dos dados. Esta,
então, será feita durante um período de aproximadamente 24 horas, em duas
situações distintas, a serem explicitadas a seguir.
6.2.1.
Local da Experimentação
Todo
o âmbito experimental do projeto foi realizado na própria casa de um dos
integrantes. Nesse sentido, ambas as experiências foram feitas no mesmo tanque
d’água, diferenciando-se uma da outra unicamente pela montagem e disposição dos
sensores. A montagem pode ser observada a seguir:
Além
da montagem na caixa d’água, todo o circuito elétrico foi montado em uma caixa
à parte para se proteger de eventuais chuvas ou acontecimentos externos. Além
disso, foi introduzida nesta caixa fechada uma câmera Gopro, para monitoramento
em tempo real e verificação do bom funcionamento das baterias, com a indicação
luminosa na placa de Arduíno, sendo necessário apenas trocar as baterias da
própria câmera, que não está integrada diretamente no circuito elétrico
6.2.2.
Caixa d’água nº 1
A
primeira abordagem será realizada seguindo as recomendações da Embrapa, como
consta no tópico 3.1. Diante disso, os sensores de temperatura serão
dispostos no tanque nas três profundidades distintas e nos pontos esperados,
igualmente separados, como na montagem a seguir, em que o sensor da esquerda se
encontra na parte mais funda, o do meio em altura intermediária e o da direita
na parte mais rasa.
Com
a montagem apresentada, será possível analisar o comportamento da temperatura
da água armazenada nestas três profundidades. Mais do que isso, o projeto
comprovará a Literatura relacionada que apresenta que, para tanques de menores
dimensões, as três faixas de temperatura podem ser aproximadas para apenas duas
faixas, pois as temperaturas no raso e no meio, sendo significativa somente a
comparação com a temperatura do fundo do tanque. Portanto, neste caso de
criação para tanques menores e até domiciliares, será possível uma outra
aplicação do projeto em questão.
6.2.3.
Caixa d’água nº 2
Sendo possível comprovar a Literatura apresentada no
presente projeto e, mais especificamente, nos tópicos (...) e 3.2.2, a segunda abordagem experimental será então realizada com os sensores
de temperatura dispostos em duas profundidades: fundo e raso, simplesmente.
esta se dilui nas duas diferentes faixas de temperatura significativas da caixa d’água em questão. A montagem pode ser observada mais de perto na figura a seguir, com o terceiro sensor bem próximo de onde a água entra.
6.2.4.
Possíveis Erros na Experimentação
Como
toda e qualquer metodologia empírica, o projeto em questão apresentará
possíveis erros em sua execução, que devem ser levados em conta na análise
posterior dos dados coletados. O mais significativo é o erro associado aos
equipamentos de medida e sensores em questão. Os sensores de temperatura
Ds18b20, à prova d’água, apresentam uma boa precisão de duas casas decimais. Já
o sensor DHT11 de temperatura e umidade possui precisão de nenhuma casa
decimal, e anota apenas valores inteiros das temperaturas externas. As medidas
tomadas por este segundo sensor, portanto, apresentarão uma precisão bem menor
para se comparar com o outro sensor de temperatura, sendo bem menos sensível a
pequenas variações das condições do ambiente durante o dia e à noite, mas
apenas variações acima de 1 grau Celsius.
Outro ponto que deve ser destacado na
experimentação é que os dados deverão ser repassados ao software de interesse
de forma manual, devido à disposição do print programada previamente no Arduíno
na linguagem específica. Apesar de deixar os resultados esteticamente mais bem
apresentáveis, isso dificultará na exportação deles para o Excel, pois não será
possível exportá-los de forma tão automática. A tantos valores coletados – ao
menos 5 medições por cada tomada de dados – deve-se, então, levar em conta o
erro associado do operador ao lidar com tantos dados de forma manual.
Além
destes, devido à impossibilidade de se aplicar no projeto um cronômetro para
gerar os dados de tempo de forma automática, cabe também ao usuário delimitar o
tempo de 15 em 15 minutos contados a partir do início de seu funcionamento.
Portanto, os pares de dados de temperatura e tempo não serão fielmente
relacionados, além de uma baixa precisão no controle do tempo pelo próprio
usuário em anotar apenas os horários inicial e final. Para este ponto, seria
interessante adicionar em aplicações futuras um cronômetro integrado na própria
montagem e programação do Arduíno.
7.
Custos
|
Materiais utilizados |
Custos |
|
|
|
|
Kit:
Arduino + Protoboard + Jumpers + Resistores + Conector de Bateria + Módulo de
Temperatura e Umidade + LEDs + Cabo USB |
R$ 115,00 |
|
|
|
|
Módulo Cartão Micro SD (1 unid.) |
R$ 15,50 |
|
|
|
|
Sensores de Temperatura (3 unid.) |
R$ 100,35 |
|
|
|
|
Baterias (3 unid.) |
R$ 65,00 |
|
|
|
|
Caixa
d’água + Notebook + Cartão SD |
R$ 0 |
|
|
|
|
Frete |
R$ 20,00 |
|
|
|
|
Total |
R$ 315,85 |
- Modelo: Arduino UNO R3;
- Saídas digitais: 14;
- Saídas analógicas: 6;
•
Protoboard
- Pinos: 400;
- Material:
Plástico ABS;
-
Dimensões: 83 x 55 x 10 mm.
- Tipo: Macho x Macho;
- Material:
Cobre;
-
Comprimento do fio: 20 cm.
•
Resistores
- Cores: Amarelo, roxo, vermelho e dourado;
- Tolerância: 5%.
- Resistor de 220 Ohms (2 unid.);
- Cores: Vermelho, vermelho, marrom e dourado;
- Tolerância: 5%.
• Conector de Bateria
- Conexão para bateria 9
V;
-
Comprimento do cabo: 15 cm.
- Modelo:
DHT11;
- Dimensões:
23 x 12 x 5 mm.
- LED verde (1 unid.);
- LED vermelho (1 unid.);
- Diâmetro: 5 mm.
-
Comunicação SPI;
-
Perfuração para fácil fixação;
-
Dimensões: 42 x 24 x 3,5 mm.
- Modelo: Ds18b20 Waterproof;
- Encapsulamento em
aço inoxidável;
- Dimensão do encapsulamento: 6 x 50 mm;
- Comprimento do cabo: 3 m.
-
Bateria 9V;
- Marcas:
Rayovac e Duracell
- Tipo:
Alcalina;
-
Dimensões: 47 x 26 x 17 mm.
- Capacidade: 1000 L;
- Altura sem tampa: 0,76 m;
- Diâmetro sem tampa: 1,51 m.
•
Cartão SD
- Capacidade: 2
GB;
- Formato: Micro
SD
O kit (Arduino + Protoboard + Jumpers +
Resistores + Conector de bateria + Módulo de temperatura e umidade + LEDs +
Cabo USB), os sensores de temperatura e o módulo
cartão micro SD foram comprados no Mercado Livre. Já as baterias foram
adquiridas em um supermercado da região. Os demais materiais, caixa
d’água, notebook e Cartão SD, não geraram custos, uma vez que já dispúnhamos
deles.
O custo total do projeto (R$ 315,85) foi divido entre os 4 integrantes
igualmente, ou seja,
R$ 79,00 para cada.
8.
Cronograma
|
Dias gastos |
Objetivos |
|
Fase 1 |
|
|
20/05 a 27/05 |
Obtenção de literaturas sobre o assunto; busca e compra dos materiais
|
|
Fase 2 |
|
|
27/05 a 03/06 |
Desenvolvimento prático da montagem; entendimento da programação.
|
|
Fase 3 |
|
|
03/06 a 07/06 |
Período de experimentação, obtenção e tratamento dos dados; início
primitivo da elaboração textual do projeto. |
|
Fase 4 |
|
|
07/06 a 17/06 |
Ênfase total na elaboração textual; ajustes finais que sejam
necessários para o aprimoramento do projeto. |
|
Final |
|
|
17/06 |
Finalização total do projeto. |
• 20/05 a 27/05: Na
fase 1, obtivemos as literaturas necessárias sobre o assunto, além da compra
dos materiais necessários que usamos nas medições das temperaturas ao decorrer
do dia.
•
27/05 a 03/06: Na fase 2 a montagem se inicia; complementamos as formas
que o projeto tomará com o uso do Arduino, bem como também a fase de
aprendizado da programação necessária para a construção do receptor de dados.
•
03/06 a 07/06: Com o protótipo já pronto, começamos na fase 3 com os
experimentos já com a aquisição dos dados, começamos com os estudos deles e com
isso também a elaboração textual do projeto.
•
07/06 a 17/06: Demos ênfase à elaboração completa projeto já com os
resultados obtidos e fizemos as modificações necessárias para o refinamento da
parte teórica, na fase 4.
• 17/06: Temos a totalidade do projeto
As literaturas foram recolhidas no intervalo de sete dias, iniciando no
dia 20/05 e terminando no dia 27/05, além disso, a compra dos materiais que usamos
para montar nosso dispositivo foi efetuado nessa semana. A principais peças
chegaram logo em seguida do termino do prazo da literatura, nos dias 28/05 e
29/05.
Com essas já em nossas mãos, iniciamos a montagem do dispositivo e, em
paralelo a isso, o estudo sobre a programação usada para a placa de Arduino foi
iniciado. O prazo foi cumprido e terminamos a montagem juntamente com o estudo
da programação, ambos no dia 02/06. Logo em seguida, pequenos testes no Arduino
foram feitos, já com todos os sensores funcionando, na busca de validar tanto o
código escrito quanto o funcionamento dos sensores acoplado à placa lógica.
Ao atestarmos que os sensores estavam trabalhando em perfeito estado,
começamos os testes práticos nos tanques. O primeiro tanque fora testado nos
dias 03/06 e 04/06, logo em seguida os testes do segundo tanque começaram,
finalizado ambos no dia 06/06. O tratamento dos dados começou no dia 07/06.
Em uma análise geral simplificada, esse projeto caminhou dentro do
cronograma estipulado do início ao fim, onde conseguimos manter as metas com
certa folga de tempo em relação uma com as outras. Pequenas adversidades sobre
a construção, estudos de programação e localidade climática foram identificadas
e solucionadas de forma quase imediata, não comprometendo o andamento total e
fidelizando as predições que o cronograma nos trazia.
9.
Resultados e discussão
Com a experimentação realizada para demonstrar o funcionamento deste projeto, foram extraídos dados dos sensores presentes e eles foram armazenados em um cartão micro SD de forma que ficaram contidos em um arquivo de texto da seguinte forma
O intuito da primeira experimentação
é demonstrar que o funcionamento do projeto segue a literatura apresentada para
tanques de pequeno porte, uma vez que o teste foi realizado em uma caixa
d'água. Os dados presentes no cartão micro SD para esta experimentação e os
erros associados a medição das temperaturas (representados pela menor medida
por se tratar de um termômetro digital), foram dispostos na forma de tabelas
confeccionadas no software Excel, como apresenta a figura a seguir:
Foram feitas tabelas registrando as
medições feitas em cada horário de cada um dos sensores imersos na água,
referentes a cada uma das profundidades em que foram posicionados (raso, meio e
fundo). Além disso, foram feitas tabelas correspondentes à temperatura ambiente
e à umidade do ar, grandezas mensuradas pelo sensor DHT11 localizado fora da
água.
Dispondo dessas tabelas, no próprio
software Excel, foram feitos gráficos correspondentes a cada uma das tabelas
para a leitura visual das variações da temperatura em função do horário durante
o período de aproximadamente 24 horas. Dessa forma, foram confeccionados
gráficos da temperatura em função do horário de medição de cada sensor imerso
na água referente a cada uma das profundidades dentro da caixa d'água e um
gráfico para cada uma das medições realizadas no ambiente: temperatura e
umidade. Estes gráficos estão representados a seguir:
Com o intuito de comparar as
medições realizadas no tanque em cada uma das profundidades, também foi
confeccionado um gráfico contendo a variação da temperatura nas três
profundidades diferentes em função do horário da medição:
Por fim, também foi feito um gráfico
com a variação dos três sensores imersos na água juntamente com a variação da
temperatura ambiente com relação ao horário de cada medição durante o dia:
Com todos estes gráficos em mãos, é
possível realizar diversas análises conforme a necessidade e o objetivo a ser
alcançado pelo piscicultor, sendo capaz de analisar individualmente a variação
da temperatura em cada uma das profundidades, compará-las em conjunto ou ainda
visualizar a variação da temperatura ambiente e da umidade do ar durante o
funcionamento do projeto.
Analisando o gráfico que contém a
variação da temperatura nos três sensores em função do tempo, pode-se notar que
a variação da temperatura no sensor posicionado na região rasa do tanque é
aproximadamente igual a variação no sensor posicionado na região do meio do
tanque, uma vez que, analisando visualmente o gráfico, na maioria das medições,
as curvas dos sensores posicionados no raso e no meio do tanque caminharam com
bastante proximidade. Ambas as variações diferem de forma considerável da
variação observada no fundo do tanque em todas as medições.
Deste modo, é possível inferir que
as medições dos sensores posicionados no raso e no meio do tanque correspondem
a uma única faixa de água, conforme o fenômeno da estratificação térmica,
enquanto que o sensor posicionado no fundo do tanque, é referente a uma outra
faixa de água com temperatura inferior. Temos, portanto, conformidade com a
literatura correspondente ao fenômeno de estratificação térmica para tanques
rasos, como caixas d’água, uma vez que, temos a formação de duas faixas de
temperatura na água, sendo a temperatura inferior àquela medida pelo sensor
posicionado no fundo do tanque.
Para a segunda experimentação, uma
vez comprovada a existência de duas faixas de temperatura na caixa d'água, o
foco se voltou para uma análise mais realista da temperatura do tanque,
realizando medições da temperatura da água que entra na caixa d'água, uma
situação bastante recorrente em tanques de Piscicultura, e verificando sua
influência na temperatura das duas faixas de água com temperaturas distintas.
Além disso, realizou-se novamente a extração da temperatura ambiente e umidade
do ar para simular uma situação real de aplicação do projeto em um tanque raso
de Piscicultura.
Novamente os dados foram extraídos e
armazenados em um arquivo de texto no cartão de memória, de forma que estavam
dispostos da seguinte forma:
Os dados e os erros associados a
medição das temperaturas (representados pela menor medida por se tratar de um
termômetro digital) foram exportados para uma planilha Excel pra a confecção de
tabelas para cada um dos parâmetros mensurados pelo protótipo:
Em semelhança a experimentação
anterior, dispondo de tais tabelas, foram feitos gráficos ilustrando
visualmente a variação do parâmetro em função do horário da medição, tendo,
portanto, um gráfico para a variação da temperatura da água que entra na caixa
d'água com relação ao horário de medição, um gráfico para cada sensor imerso na
água (um posicionado no raso e outro posicionado no fundo do tanque) e gráficos
individuais para temperatura ambiente e umidade do ar.
Além disso, foram elaborados gráficos
comparativos agrupando as variações de temperatura dos três sensores
posicionados na caixa d'água (entrada, raso e fundo) visando a comparação e a
análise da influência da temperatura da água de entrada no tanque:
Finalmente, analogamente a experimentação
anterior, foi acrescentado ao gráfico anterior a variação da temperatura
ambiente para a visualização de sua variação em comparação a variação de
temperatura em cada um dos sensores imersos em água:
Analisando o gráfico que agrupa a
variação dos três sensores em água com relação ao horário de medição vemos algo
que já era esperado: a temperatura da água que entra no tanque influencia
diretamente na temperatura das duas faixas de água formadas pela estratificação
térmica, elevando a temperatura de ambas as faixas quando entra uma água mais
quente e o inverso quando entra uma água de temperatura mais baixa. Porém, com
uma análise mais cautelosa podemos perceber um certo comportamento com relação
a influência da temperatura da água que entra no tanque.
Tomando de análise o período do dia
em que a temperatura da água que adentrava o tanque ia reduzindo, ou seja,
entre o início da medição até o horário das 8:40, podemos perceber que, com o
decréscimo da temperatura da água de entrada, há uma maior influência na
temperatura da região superior do tanque, identificada pelo sensor posicionado
no raso, diminuindo a temperatura dessa região em aproximadamente 2,6ºC,
enquanto que, na região inferior, no fundo do tanque, a temperatura decaiu em
apenas 1,7ºC, diminuindo a diferença da temperatura entre as regiões formadas
pela estratificação térmica.
Deste modo, a temperatura da água de
entrada exerce maior influência na temperatura da região superior do tanque,
sendo assim, o piscicultor poderia variar a temperatura de entrada para
modificar a temperatura rasa, conforme seu objetivo. O fato abordado pode ser
ilustrado pela representação abaixo:
Com relação aos gráficos da
temperatura ambiente e da umidade do ar, podemos perceber como a variação da
temperatura do ambiente está relacionada com a temperatura em cada faixa de
profundidade em determinados horários do dia, estando próxima da temperatura da
região funda no período da madrugada e próxima da temperatura no raso no
período da manhã. Já a medição da umidade do ar durante o tempo indica maiores
valores durante parte da madrugada e da manhã, enquanto no período da tarde ela
apresenta menores índices. Tais valores estão relacionados à taxa de evaporação
da água e podem indicar um aumento de fluxo na entrada de água com o objetivo
de manter o nível de água do tanque constante.
Por fim, fazendo uma análise mais
relacionada com a atividade da piscicultura, caso estes dados fossem
correspondentes a um tanque de criação de peixes, o piscicultor em questão
deveria atentar-se ao fato de que, nas condições de operação, a análise
realizada indicou que no período da madrugada e início da manhã, as
temperaturas no raso e no fundo estavam ambas abaixo dos 26°C, algo que é prejudicial
para a maioria das espécies tropicais de peixes, dessa forma, seria necessário
a intensificação do aquecimento neste período. Ademais, conforme indicam os
gráficos, a temperatura no fundo do tanque é inferior à temperatura na parte
rasa, portanto, a fim de manter a temperatura constante no tanque para
determinado tipo de espécie, os esforços de aquecimento deveriam ser
direcionados ao fundo da caixa d’água.
10.
Conclusão
Conforme
o exposto, é possível concluir que o projeto é funcional e atinge os objetivos
propostos. Isso se deu ao confirmar as proposições da Literatura que dizem
respeito à descrição de fenômenos reais ao comprovar o fenômeno da
estratificação através do mapeamento, possível pela análise gráfica. Além
disso, o projeto se mostra como uma ótima alternativa de baixo custo para o
estudo da temperatura da água em tanques de pequeno a médio porte, a fim de
evitar a mortalidade dos peixes e aumentar o controle e produtividade da
criação. É possível destacar, ainda, os possíveis adjacentes que o presente
projeto ainda apresenta para crescer com mais investimento e tempo hábil: é
possível explorar ainda melhor a programação para se automatizar a conversão
dos dados no arquivo de texto para os gráficos, que foi feita manualmente. Ademais,
o sensor de temperatura apresenta funções inexploradas de alarme, que podem ser
integradas na automação a ser explorada para alertar o criador em tempo real
das alterações de temperatura. Apesar disso, dentro das limitações físicas,
econômicas e temporais, o projeto alcançou o seu objetivo inicial de mapear a
temperatura proposto no contexto da piscicultura.
11.
Referências Bibliográficas
LEIRA, M. H. et al. Qualidade da água e seu uso em pisciculturas. Pubvet, v. 11, n. 1, p. 11–17, 2017.
ITUASSÚ, D. R.; SC, M. Princípios de qualidade de água no planeta. Embrapa, 2014.
Coleção SENAR – 262. Piscicultura: manejo da água. Serviço Nacional de Aprendizagem Rural, Brasília, 2019.
OLIVEIRA, W. H. DE. Qualidade Da Água E Desempenho De Juvenis De Tambaqui. v. d, p. 1–5, 2015.
http://www.fao.org/3/AB486P/AB486P08.htm
https://www.engepesca.com.br/post/piscicultura-tudo-que-voce-precisa-saber-sobre-criacao-de-peixes
https://pt.wikipedia.org/wiki/Placa_de_ensaio
https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-led.htm