PROJETO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTO PARA MEDIÇÃO DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL DE ÁGUA NO SOLO

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(1)PROJETO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTO PARA MEDIÇÃO DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL DE ÁGUA NO SOLO. Andreos Carvalho 1 Ana Paula Ludtke Ferreira 2. Resumo: A mensuração da capacidade de infiltração de água no solo tem aplicações nas áreas de Engenharia e Ciências Agrárias, permitindo o melhor dimensionamento de recursos energéticos e hídricos. A medição direta da infiltração requer equipamentos sensores no interior do solo e depende não somente do tipo de solo, mas também da cobertura vegetal presente. Essa grandeza, contudo, pode ser inferida por meio da mensuração da quantidade de água escoada superficialmente em decorrência de precipitação/irrigação, cuja medição é mais simples e não destrutiva do solo Este trabalho apresenta o projeto e implementação de um medidor automatizado de escoamento superficial de água no solo, que registra periodicamente a quantidade de água escoada, com vistas à eliminação da necessidade de intervenção humana no processo de coleta e permitindo a posterior análise dos dados coletados.. Palavras-chave: Arduino, Solos, Sensores, Escoamento.. Modalidade de Participação: Iniciação Científica. PROJETO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTO PARA MEDIÇÃO DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL DE ÁGUA NO SOLO 1 Aluno de graduação. andreos1984@gmail.com. Autor principal 2 Docente. anaferreira@unipampa.edu.br. Orientador. Anais do 9º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa | Santana do Livramento, 21 a 23 de novembro de 2017.

(2) PROJETO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTO PARA MEDIÇÃO DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL DE ÁGUA NO SOLO 1. INTRODUÇÃO A água é um recurso natural essencial para o surgimento e manutenção da vida no planeta Terra. Embora renovável, é um recurso finito cuja captação e posterior tratamento necessitam de outros recursos também dispendiosos, tanto sob o aspecto econômico quanto sob o aspecto ambiental. A agricultura irrigada consome cerca de 70% do total de água doce utilizada no planeta, o setor industrial fica em segundo lugar com 21% do consumo e o uso doméstico com apenas 9%. A água utilizada na produção agrícola em 2000 equivaleu a um consumo médio de 9.436 metros cúbicos por hectare (m³/ha). Espera-se uma redução desse consumo nos próximos anos com a incorporação de tecnologias e processos mais eficientes de gestão do uso da água, tendo como estimativa para 2025 uma queda para 8.100 m³/ha (COELHO; FILHO; OLIVEIRA, 2005). Uma técnica que poderia contribuir para a redução do consumo agrícola de água seria a verificação da capacidade de infiltração em um determinado solo. Essa informação permitiria que a quantidade de água irrigada no solo pudesse ser melhor dimensionada, visando tanto a economia de água como de energia, visto que na maioria das irrigações são utilizados equipamentos elétricos, como bombas de sucção, para levar a água até o local desejado. A solução desse problema, além de ser relevante na área das Ciências Agrárias, também poderia ser aproveitada em outras áreas, como a Engenharia Civil. A capacidade de infiltração de água no solo é uma grandeza que requer equipamentos sensores no interior do solo para sua medição e depende não somente do tipo de solo, mas também da cobertura vegetal presente. Contudo, essa grandeza pode ser inferida por meio da mensuração da quantidade de água escoada superficialmente em decorrência de precipitação/irrigação, cuja medição é mais simples e não destrutiva do solo (PRUSKI; BRANDÃO; SILVA, 2003). A literatura atual mostra que os processos de medição do escoamento superficial são, hoje, majoritariamente manuais, demandando recursos humanos disponíveis e com pouca acurácia na medição (PANACHUKI; 2003). O objetivo deste trabalho é construir um dispositivo para medição de escoamento superficial da água no solo, com registro da informação coletada com vistas à posterior análise dos resultados. O trabalho encontra-se em andamento, estando na fase de construção do protótipo do equipamento. O restante deste trabalho está organizado como se.

(3) segue: a Seção 2 apresenta a metodologia e as decisões de projeto tomadas, a Seção 3 apresenta resultados preliminares e na Seção 4 esses resultados são discutidos. 2. METODOLOGIA O caminho metodológico para a construção da ferramenta iniciou com uma definição dos requisitos (PRESSMAN; MAXIM, 2016) que deveriam ser contemplados, seguida de pesquisa em referenciais teóricos em busca de ferramentas similares e técnicas de produtos com o mesmo objetivo. Foram definidos os seguintes requisitos como essenciais à ferramenta: (i) a medição do escoamento superficial será medido a partir de um espaço prédeterminado que seja delimitado por calhas de contenção e de espalhamento da água precipitada, (ii) os dados colhidos deverão ser armazenados localmente, permitindo uma coleta posterior, mas deve haver flexibilidade para alteração com vistas ao envio remoto, (iii) o formato de armazenamento dos dados deve ser livre, sem necessidade de software proprietário para a leitura dos dados. Os requisitos desejáveis são: (i) existir um display para exibição dos resultados, possibilitando o teste do funcionamento da ferramenta, onde poderão ser visualizadas informações sobre escoamento superficial, (ii) informação de falha no sistema deve estar visível, para que não seja necessário esperar o equipamento entrar em funcionamento e verificar o local de armazenamento de dados para verificar se os mesmos estão corretos. A definição dos requisitos foi feita junto a um Engenheiro Agrônomo da EMBRAPA, especialista na área de solos. A pesquisa bibliográfica e de produtos efetuada não encontrou ferramentas automatizadas para tal função que atendessem aos requisitos definidos. Assim, a busca em referenciais foi focalizada em produtos que fizessem medição automatizada do escoamento superficial e dos processos de medição de nível e fluxo de escoamento de água. Nestes processos de medição em recipientes ou dutos, as principais técnicas utilizadas são o controle por meio de microcontroladores, usualmente Arduino ou controladores PIC (Peripherical Interface Controller), juntamente com sensores de fluxo ± para medição do escoamento em tubulações fechadas ± ou sensores de nível do tipo resistivo e/ou ultrassônico ± para medir o nível de água em locais abertos. A solução adotada para a ferramenta para a unidade lógica será o Arduino modelo Uno, mostrado na Figura 1, devido à facilidade de utilização, à possibilidade de substituição ou adição de periféricos, por meio de conexão aos pinos disponibilizados nas laterais da placa, ao código fonte ser escrito em linguagem C, à programação feita diretamente pela porta USB e ao código poder ser desenvolvido diretamente na interface de programação Arduino IDE (Integrated Development Environment), que já vem com a descrição de algumas bibliotecas para o uso de diversos periféricos como display LCD (Liquid Cristal Display), para sensores Wi-Fi (Wireless Fidelity, Wireless Internet), sensores de.

(4) temperatura, etc. Ao Arduino será interligado um display de LCD (liquid crystal display) modelo 16x2 (16 linhas e 2 colunas) juntamente com um modulo conversor I2C (InterIntegrated Circuit) com a finalidade de diminuir o uso de portas do Arduino (Atmel Corporation). O escoamento será inferido por meio do cálculo da distância provindo de um sensor de ultrassom, modelo HC-SR04, que será instalado em cima de um duto de deságue da água proveniente do escoamento superficial da área de interesse, como está ilustrado na Figura 2. Os dados serão armazenados em cartão de memória, fazendo uso do módulo Micro Card Sd v1.0 juntamente com a biblioteca SD.h, disponível na Arduino IDE, em um arquivo em formato de texto que armazenará a hora de início da precipitação, a hora de início do escoamento e as medições do escoamento HP IXQomR GD DOWXUD GD FROXQD G¶iJXD. A data e a hora são obtidas do módulo RTC (real time clock), (Maxin Integrated) que possui uma bateria interna própria, para evitar perda dos dados quando a ferramenta é desligada, onde foi utilizada a biblioteca DS3231.h também disponível na Arduino IDE.. Figura 1. Arduino Uno.. Figura 2. Representação do duto de escoamento com sensor de ultrassom..

(5) O planejamento para a montagem da estrutura do medidor de escoamento superficial está esquematizado na Figura 3, onde A é a área de interesse da pesquisa, B é a calha de desvio da água vinda de outras áreas, C é a calha de desague da água de escoamento superficial do solo, D é o duto de escoamento, E é o sensor de ultrassom e F é o medidor de escoamento superficial.. Figura 3. Representação da área de estudo delimitada por calhas e o duto de escoamento com a ferramenta instalada. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A primeira versão da ferramenta já está em funcionamento: os dados provenientes do sensor de ultrassom são processados pelo Arduino, posteriormente salvos em um cartão de memória e exibidos pelo display. A biblioteca disponibilizada para o sensor de ultrassom não pôde ser utilizada devido à precisão insuficiente disponibilizada. Na fase de estudo dos requisitos foi determinado que a precisão do equipamento deveria ser calculada em milímetros (mm). As bibliotecas estudadas, contudo, oferecem medições de distância somente em centímetros (cm).. A. distância sendo mensurada em centímetros poderia impossibilitar o cálculo preciso do escoamento em virtude do dimensionamento da calha: quando o escoamento tivesse iniciando ou quando a precipitação não fosse capaz de produzir um escoamento significativo, mesmo que a água na calha estivesse a uma altura próxima a 1 (um) cm o sensor poderia não registar o escoamento afetando, assim, os resultados de medição do equipamento. Foi então construída uma função para o sensor, baseada no seu sistema de medida, que utiliza a velocidade do som como referência. Após alguns testes práticos ficou determinado que a precisão do sensor estava em torno de ± 2 mm, o que foi considerado suficiente. As próximas etapas de execução do projeto serão a construção da ferramenta, a realização dos testes a campo e a modelagem da equação do escoamento superficial, que dependerá diretamente do tamanho da calha de deságue, em processo de projeto..

(6) 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS O projeto de integração do sensor com o duto de escoamento ainda está em fase de estudo, pois a dimensão da área de interesse ainda está sendo avaliada. Quando esta medida for conhecida será delimitado o tamanho do duto de escoamento e o circuito poderá ser adaptado ao duto. Após a dimensão do duto ser determinada, será possível modelar a equação do escoamento para possibilitar o cálculo do mesmo. Estão sendo correntemente estudadas equações já estabelecidas na literatura da área e princípios de fenômenos de transporte concernentes à dinâmica dos fluidos (GEANKOPLIS, 1993). Para alimentação do aparelho a campo foi definida uma bateria cuja tensão e corrente ainda estão sendo avaliadas em virtude da disponibilidade do mercado e da necessidade da ferramenta, visto que ela poderá ser instalada em locais remotos que não possuem abastecimento de energia elétrica. Nessa fase do trabalho tem-se então, o protótipo inicial funcionando total e corretamente. Para dar seguimento a partir deste ponto é necessário realizar os estudos citados acima e integralizar a ferramenta, construindo um circuito e o atrelando ao duto de escoamento. Essas funções já estão sendo executadas no decorrer da pesquisa. 5. REFERÊNCIAS PANACHUKI, E. Infiltração de água no solo e erosão hídrica, sob chuva simulada, em sistema de integração agricultura-pecuária. 67p. Tese (Doutorado em Agronomia), Universidade Federal do Mato Grosso do Sul ± Campus de Dourados 2003. COELHO, E. F.; FILHO, M. A. C.; OLIVEIRA, S. L. de. Agricultura irrigada: eficiência de irrigação e de uso de água. Bahia Agrícola, Bahia, v. 7, n. 1, p.57 ± 60, 2005. GEANKOPLIS, Christie J. Transport processes and unit operations. 3ed. Prentice-Hall Inc, 1993. 921p. PRESSMAN, R. S.; MAXIM, B. R. Engenharia de Software Uma Abordagem Profissional. AMGH Editora LTDA., 2016. 968 p. SPOSITO, G. The chemistry of soils. New York, Oxford University, 1989. 277p. STEVENSON, F.J. Humus chemistry: genesis, composition, reactions. 2.ed. New York, John Wiley, 1994. 496p. PRUSKI, F. F.; BRANDÃO, V. D. S.; SILVA, D. D. D. Escoamento superficial. 88p. Dissertação (Mestrado) ² Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2003 Atmel Corporation. [acesso em 18 Set. 2017]. Disponível em: http://www.atmel.com/images/Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega48A-48PA88A-88PA-168A-168PA-328-328P_datasheet_Complete.pdf. Maxin Integrated. [acesso em 18 Set. em: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS3231.pdf.. 2017].. Disponível.

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