DESENVOLVIMENTO DE UMA ESTAÇÃO METEOROLÓGICA REDUZIDA (EMR) PARA OTIMIZAÇÃO DE PROCESSO DE IRRIGAÇÃO

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MONTES CLAROS - UNIMONTES Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas Curso de Sistemas de Informação

Hênio Carlos Ferreira de Souza

DESENVOLVIMENTO DE UMA ESTAÇÃO METEOROLÓGICA REDUZIDA (EMR) PARA OTIMIZAÇÃO DE PROCESSO DE IRRIGAÇÃO

Montes Claros - MG Junho / 2015

Hênio Carlos Ferreira de Souza

DESENVOLVIMENTO DE UMA ESTAÇÃO METEOROLÓGICA REDUZIDA (EMR) PARA OTIMIZAÇÃO DE PROCESSO DE IRRIGAÇÃO

Monografia apresentada ao Curso de Bacharelado em Sistemas de Informação, da Universidade Estadual de Montes Claros como exigência para obtenção do grau de Bacharel em Sistemas de Informação. Orientador: Prof. Allysson Steve Mota Lacerda, MESTRE.

Montes Claros - MG Junho / 2015

Hênio Carlos Ferreira de Souza

DESENVOLVIMENTO DE UMA ESTAÇÃO METEOROLÓGICA REDUZIDA (EMR) PARA OTIMIZAÇÃO DE PROCESSO DE IRRIGAÇÃO

Monografia apresentada ao Curso de Bacharelado em Sistemas de Informação, da Universidade Estadual de Montes Claros como exigência para obtenção do grau de Bacharel em Sistemas de Informação.

Montes Claros, 25 de Junho de 2015.

Orientador: ____________________________________________ Prof. Allysson Steve Mota Lacerda, MESTRE Universidade Estadual de Montes Claros Membros: ____________________________________________ Prof. Nilton Alves Maia, DOUTOR Universidade Estadual de Montes Claros ____________________________________________ Prof. Maurílio José Inácio, DOUTOR Universidade Estadual de Montes Claros

Montes Claros – MG Junho / 2015

AGRADECIMENTOS

Agradeço principalmente à minha Mãe (Edmunda Ferreira de Souza) que foi minha principal incentivadora nessa caminhada. Ao meu pai e aos meus irmãos que também nunca me deixaram fraquejar. Aos meus amigos João Victor Oliveira, Nilton Rodrigues e Mariéllen Ivo, por sempre estarem me apoiando e auxiliando. À minha companheira Thais Pereira por sempre estar ao meu lado. E ao meu orientador Allysson Steve, pelas críticas construtivas e conselhos.

Levante-se, levante-se e outra vez, até que os cordeiros se tornem leões. Jan Wojcicki

RESUMO

A previsão do tempo é feita através da coleta de dados meteorológicos realizado periodicamente. As informações obtidas através da coleta destes dados são utilizadas agricultura, marinha, aeronáutica entre outros. No entanto o as alterações climáticas no século XXI estão ocorrendo com maior frequência, e de maneira mais intensa. Agricultores que buscam produzir o ano inteiro, sem que sua safra sofra com desequilíbrios ecológicos como estresse hídrico, recorrem à irrigação na busca de evitar perdas em suas produções. No entanto devemos levar em conta que a água doce e potável e um recurso natural finito que não pode ser utilizado de manei imprudente. Levando isso em consideração este trabalho propôs o desenvolvimento de um sistema de controle para uma estação meteorológica reduzida com o intuito de monitorar o clima da região em que estiver implantada e gerar relatórios para analises futuras. Ao informar para o usuário as condições climáticas além de humidade do solo o sistema pode prevenir que gastos desnecessários de água ocorram. Além de gerar uma base de dados que pode contribuir para o entendimento das alterações climáticas da região. Palavras-chave: Meteorologia. Consumo de Água. Plataforma Arduino.

LISTA DE SIGLAS

API EMR HTML IDE INMET IP LED Mbps PHP PWM V

Application Programming Interface Estação Meteorológica Reduzida HyperText Markup Language Integrated Development Environment Instituto Nacional de Meteorologia Internet Protocol Light-Emitting Diode Megabit por segundo PHP: Hypertext Preprocessor Pulse Width Modulation Volt

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1: IMAGEM DE UMA PLACA ARDUINO MEGA 2560 ...................................................... 19 FIGURA 2: IDE DE DESENVOLVIMENTO ARDUINO ..................................................................... 20 FIGURA 3: PLACA SHIELD ETHERNET ........................................................................................ 21 FIGURA 4: SENSOR DE UMIDADE E TEMPERATURA DHT11 ....................................................... 22 FIGURA 5: SENSOR DE PRESSÃO E ALTITUDE ............................................................................. 23 FIGURA 6: SENSOR DE UMIDADE DO SOLO ................................................................................ 23 FIGURA 7: SENSOR DE CHUVA ................................................................................................... 24 FIGURA 8: CÓDIGO FONTE DA API DO THINGSPEAK ................................................................. 31 FIGURA 9: CÓDIGO FONTE DO ENVIO DOS DADOS ..................................................................... 31 FIGURA 10: TIPOS DE FUNÇÕES CRIADAS .................................................................................. 32 FIGURA 11: GRÁFICA DE TEMPERATURA AMBIENTE ................................................................. 34 FIGURA 12: GRÁFICA DE UMIDADE RELATIVA DO AR ............................................................... 35 FIGURA 13: GRÁFICO DE UMIDADE ........................................................................................... 35

LISTA DE TABELAS

TABELA 1: ORÇAMENTO DO PROJETO ........................................................................................ 33 TABELA 2: TABELA COMPARATIVA DE PREÇOS ......................................................................... 33

SUMÁRIO

1

INTRODUÇÃO........................................................................................................... 11

2 2.1 2.1.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.5 2.6 2.7 2.7.1

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................. 15 METEOROLOGIA ............................................................................................................ 15 Climatologia ................................................................................................................. 16 IRRIGAÇÃO .................................................................................................................... 16 SISTEMAS EMBARCADOS ............................................................................................... 17 Plataforma Arduino ...................................................................................................... 18 IDE - Integrated Development Environment ................................................................ 19 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO C ................................................................................ 25 PHP - HYPERTEXT PREPROCESSOR.................................................................................. 25 COMPUTAÇÃO NA NUVEM .................................................................................... 26 INTERNET DAS COISAS ........................................................................................... 26 ThingSpeak ..................................................................................................................... 27

3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.3

PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ............................................................. 28 COMPONENTES ELETRÔNICOS ....................................................................................... 28 Arduino MEGA 2560 .................................................................................................... 29 Shield Ethernet.............................................................................................................. 29 Sensores de monitoramento Climático ......................................................................... 29 Sensor de Umidade do Solo e Sensor de Chuvas ......................................................... 30 SKETCH .......................................................................................................................... 30 ORÇAMENTO E COMPARATIVO DE PREÇOS .................................................................... 32

4

RESULTADOS E DISCUSSÕES.............................................................................. 34

5

CONSIDERAÇÕES FINAIS ..................................................................................... 37

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 38

11

1

INTRODUÇÃO

A previsão do tempo baseia-se em dados colhidos periodicamente em estações meteorológicas de superfície, convencionais ou automáticas. Segundo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), no Brasil há mais de 400 estações e 10 distritos regionais que recebem, processam e enviam estes dados para a Sede, localizada em Brasília – DF, que por sua vez, processa estes dados e os enviam por satélite para todo o mundo. As informações obtidas através da coleta destes dados podem ser utilizadas em diversas formas como: agricultura, marinha, aeronáutica e turismo, entre outros. As mudanças climáticas no século XXI vêm ocorrendo com maior frequência, se tornando um desafio ambiental que pode causar danos irreversíveis a uma cultura. Segundo Cunha et al.(2013, p.1) Os efeitos das mudanças climáticas apresentarão grande variabilidade entre as diferentes regiões do planeta e setores econômicos. Sendo assim, agricultores que visam produzir o ano inteiro, sem que sua safra sofra com estresse hídrico, recorrem à irrigação na busca de evitar perdas em suas produções.

A agricultura irrigada, para manter-se sustentável, em termos ambientais, precisa ser eficiente no uso da água na irrigação, bem como no uso dos agroquímicos que aplicados às plantas ou ao solo podem causar contaminação dos recursos hídricos subterrâneos. (COELHO; COELHO FILHO; OLIVEIRA, 2005, p.58).

Tendo isso em vista, o presente trabalho vem apresentar uma estação meteorológica reduzida com o intuito de monitorar o clima da região em que estiver implantada e gerar relatórios para analises futuras. Esta estação foi desenvolvida utilizando plataforma Arduino. Esta estação foi desenvolvida com o intuito de coletar e armazenar dados e, através destes, melhorar o processo de irrigação nas lavouras irrigadas, uma vez que a água é um recurso natural finito e muito importante. Segundo Hoekstra (2012, p.2) a escassez da água é um problema ambiental com impactos que são agravados, principalmente, pelas atividades agrícolas. Por este motivo, a irrigação agrícola tem sido vista com maus olhos uma vez que é a prática que tem o maior consumo de água, porém segundo a EMBRAPA o conhecimento científico gerado nas últimas décadas comprova ser possível utilizar água na agricultura com racionalidade e sem desperdício.

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Segundo Moreira et. al. (2012, p.2)

A irrigação é uma tecnologia importante na produção de alimentos. O objetivo da irrigação é fornecer água às culturas no momento certo e na quantidade adequada. Com um manejo adequado, um sistema de irrigação deve proporcionar maior eficiência de uso de água, aumentando a produtividade das culturas, diminuindo os custos de produção e, consequentemente, proporcionando maior retorno dos investimentos.

Deste modo, a automação de sistemas de irrigação adquire uma grande importância, pois com a sua utilização se torna possível a aplicação de água na quantidade adequada e no tempo correto, contribuindo para possíveis aumentos da produção agrícola e, também, para uma eficiente utilização do recurso hídrico. Visando a otimização da irrigação este trabalho propôs o desenvolvimento de uma Estação meteorológica Reduzida baseada em Arduino, para coleta e armazenamento diário de dados meteorológicos em uma determinada região, com o intuito de que com possíveis análises futuras os processos de irrigação possam ser otimizados. Tendo isso em mente foi desenvolvido um sistema de baixo custo que coleta dados meteorológicos de uma determinada região e os armazena para que possam ser analisados posteriormente com o propósito de descobrir quais seriam os momentos oportunos e necessários de irrigar a produção. Tornando mais eficiente o processo de irrigação além de reduzir o consumo de água. Bernardo (2008, p.2) afirma que no mundo globalizado, há escassez de água de boa qualidade. Fato que acarreta aumento dos custos da produção agrícola, devido ao aumento dos valores de energia quanto de insumos. Considerando que qualquer empreendimento somente será economicamente viável se seus benefícios econômicos forem maiores do que os custos, tornando-se evidente as necessidades de melhorias quanto à eficiência de uso da água na irrigação. Entre as possíveis soluções com baixo custo, esta a utilização de microcontroladores e sensores de monitoramento climático para otimização dos processos de irrigação.

Um microcontrolador é um sistema microprocessado encapsulado em um único chip, com memórias, clock e periféricos mais limitados que um computador (TAVARES, 2013, p. 1).

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Um destes microcontroladores é utilizado na plataforma de prototipação Arduino que é baseada em hardware e software livres, o que possibilita o desenvolvimento de automações que fazem uso sensores, leds e vários outros componentes. A utilização de circuitos integrados além de reduzir custo da automação também oferece uma maior flexibilidade. Dentre as plataformas de desenvolvimento que utilizam micro controladores, o Arduino tem ganhado um grande destaque (TAVARES, 2013, P.1). A fim de embasar a pesquisa e exemplificar as afirmações anteriores, foram realizadas pesquisas bibliográficas, onde foram identificados artigos decorrentes da utilização de microcontroladores como Arduino na irrigação de plantações e até mesmo em jardins domésticos, a seguir, os artigos relacionados da literatura com maior relevância serão apresentados. Segundo Souza (2012, p.12), o setor da agroindústria brasileiro destaca-se em números de produção de alimentos, principalmente devido aos grandes produtores que são detentores de recursos financeiros e tecnologia para produzir em larga escala. Porém os pequenos produtores rurais das regiões semiáridas que dependem da pequena produção para subsistência da sua família e que quando possível, a plantação é irrigada através de poços artesianos, não conseguem ter acesso à tecnologia para auxiliá-los no manejo deste recurso tão escasso, a água. O trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma solução de baixo custo que possa auxiliar a tomada de decisão do produtor rural, ou do seu consultor, de como gerir seus recursos hídricos da melhor forma possível. Devido a isto, foi desenvolvido um projeto de um sistema capaz de controlar os atuadores propostos e armazenar os dados dos sensores em um servidor na nuvem via internet. Para Souza (2012, p.12) as vantagens da implantação deste projeto são: uso consciente da água; redução dos custos de energia elétrica; o monitoramento preciso do consumo de energia elétrica, umidade relativa e temperatura do ar. No desenvolvimento deste projeto foram utilizados técnicas de sistemas embarcados, envolvendo hardware e software, com a capacidade de monitoramento e controle de sistemas de irrigação artificiais com o intuito de auxiliar na tomada de decisão por parte do produtor rural e ainda minimizar o uso dos recursos naturais e maximizar a produção de alimentos. Já o pesquisador Batista (2014, p.15) aborda sobre a utilização de um sistema de irrigação automático com uma interface Web para a irrigação em ambientes residenciais com

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desenvolvimento baseado em plataforma Arduino, à qual foram adicionados alguns componentes eletrônicos e mecânicos. Para Batista (2014, p.8) o cultivo de plantas em ambientes urbanos se torna um desafio, pois nem sempre é possível garantir os suprimentos necessários para mantê-las vivas sendo que boa parte desse problema advém do pouco tempo disponível para cuidar das plantas, pois os responsáveis pelo seu cultivo possuem rotinas atarefadas, aumentando probabilidade das plantas ficarem sem água por falta de rega, o que, além de matá-las, desmotiva as pessoas a continuarem o cultivo de plantas em suas casas e apartamentos. Levando isso em conta o objetivo principal daquele trabalho foi o desenvolvimento de um sistema que seria capaz de auxiliar as pessoas no cultivo de plantas por meio de um controle automatizado. Toda a lógica do sistema foi desenvolvida utilizando linguagem de programação C com o uso de várias bibliotecas fornecidas pela plataforma do Arduino, o que possibilitou o desenvolvimento do sistema dividido em três principais aspectos: módulo de sensores, módulo de displays e monitoramento remoto pela web. Batista (2014, p.33) conclui que com relação à proposta de solução para o cultivo de plantas em ambientes urbanos, o resultado final é satisfatório, permitindo atingir os resultados esperados e que existem pontos que ainda devem ser melhorados. Porém, não invalidam o uso do sistema, apenas aprimoram os benefícios alcançados. Outro benefício proporcionado pelo projeto é o conhecimento gerado a partir do uso de tecnologias e plataformas inovadoras. O restante do trabalho está dividido fundamentação teórica, metodologia, resultados e discussões e Considerações finais, sendo este o primeiro deles que apresenta uma visão geral como motivação, justificativa e trabalhos relacionados. O segundo capítulo contempla uma revisão da literatura abordando os temas que estarão presentes durante o desenvolvimento do projeto. O terceiro capítulo discute de maneira geral toda a metodologia aplicada no desenvolvimento do trabalho. No quarto capítulo são abordadas discussões sobre os resultados do desenvolvimento do projeto e por fim no quinto capitulo temos as considerações finais.

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2

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste capitulo, apresenta-se o contexto atual do desenvolvimento, e relacionam-se os principais conceitos que permeiam este projeto, como a meteorologia, climatologia, irrigação e Plataforma Arduino. Também será feito o uso da linguagem de programação C com o intuito de implementar as operações de entrada e saída, em conjunto com o software Processing. Para desenvolvimento da interface será utilizada à linguagem interpretada PHP (PHP: Hypertext Preprocessor).

2.1

Meteorologia

Com constantes mudanças climáticas em todo o planeta, a meteorologia vem adquirindo cada vez mais importância. O aquecimento global e o efeito estufa têm gerado alterações climáticas muito grandes como, por exemplo, inconstância no clima de determinadas regiões, aumento e ou queda de temperaturas em outras. A elevação na temperatura aumenta a capacidade do ar em reter vapor d’água e, consequentemente, há maior demanda hídrica. Em resposta a essas alterações, os ecossistemas de plantas poderão aumentar sua biodiversidade ou sofrer influências negativas. (ASSAD et al., 2004, P.1).

Segundo Thomas et al. (2004), com o aumento das temperaturas, 18 espécies estarão ameaçadas de extinção até o ano de 2050, considerando o cenário mais otimista. “A meteorologia é definida como a ciência que estuda os fenômenos que ocorrem na atmosfera, e está relacionada ao estado físico, dinâmico e químico da atmosfera, as interações entre elas e a superfície terrestre subjacente. A Meteorologia básica, como o próprio nome sugere, nos fornece uma visão mais simples dos fenômenos atmosféricos que ocorrem em nosso dia a dia. Baseados em observações, os elementos meteorológicos mais importantes do ar, a velocidade e direção do vento, tipo e quantidade de nuvens, podemos ter uma boa noção de como o tempo está se comportando num determinado instante e lugar”. (VIANELLO, 1991, p.5).

Para Magnoni et al (2012, p.5), no mundo nenhum elemento da natureza permanece livre da interferência das atividades humanas. Tampouco, nenhuma sociedade está imune aos fenômenos climáticos e desastres naturais.

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Assim percebe-se que a Meteorologia tem o importante papel de observar e estudar o clima em busca de padrões de alterações ou a falta deles, a fim de prevenir possíveis desastres climatológicos ou que regiões sofram com os mesmos. O clima será tratado mais profundamente no tópico 2.1.1 deste trabalho.

2.1.1 Climatologia

Para Ferreira (2012, p.767), o conceito de climatologia seria

O estudo dos fenômenos atmosféricos é realizado pela meteorologia e pela climatologia, a Climatologia nasce baseada nos estudos da Meteorologia, que estuda a atmosfera e seus fenômenos preocupando-se com o registro e a medição destes fenômenos cuja finalidade seria determinar as condições físicas sob as quais foram produzidos.

A climatologia faz parte do campo da geografia física e tem como objetivo estudar os fenômenos da atmosfera em contato com a superfície terrestre e sua distribuição espacial e dessa forma relaciona-se com outras áreas da Geografia Física, da Geografia Humana. (FERREIRA; Jhônatas, 2012, p.767) Barros (2009, p.3) cita ainda, que apesar da climatologia ter surgido de uma concepção atribuída pela meteorologia, as duas ciências contrapõem-se em bases conceituais como o conceito de clima e tempo, para a meteorologia o tempo seria um “conjunto de valores que em um determinado momento em certo lugar, caracterizam o estado atmosférico, enquanto para a climatologia o tempo seria uma combinação passageira e de curta duração dos fenômenos atmosféricos.

2.2

Irrigação

A utilização de irrigação por si só produz um aumento considerável na produção das lavouras e, dependendo da fase em que a plantação estiver, o stress hídrico pode causar uma redução significativa na produção. Para Bernardo (2008, p.1) a finalidade básica da irrigação é proporcionar água as culturas de maneira a atender as exigências hídricas durante todo o seu ciclo, possibilitando altas produtividades e produtos de boa qualidade.

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Segundo Bernardo (2008, P.1), os principais benefícios da irrigação na agricultura brasileira seriam: 

Permitir uma agricultura econômica, sustentável e estratégica na região Nordeste;



Aumentar a produtividade das culturas (em média, a produtividade nas áreas irrigadas é 2,5 a 3,0 vezes maior do que a das áreas não irrigadas );



Aumentar o valor da propriedade e o lucro da agricultura (em média, o valor bruto da produção nas áreas irrigadas é 5,0 vezes maior do que a das áreas não irrigadas);



Possibilitar maior eficiência no uso de fertilizantes;



Permitir programas de cultivo, isto é, escalonar plantios, tratos culturais e colheitas;



Permitir dois ou mais cultivos por ano numa mesma área;



Permitir, justificar e incentivar a introdução de culturas com maior valor comercial, minimizando o risco do investimento;



Melhorar as condições econômicas das comunidades rurais;



Aumentar a demanda de mão-de-obra, fixando o homem no meio rural, o que minimizará o crescimento de favelas na periferia das cidades.

Sendo assim a irrigação se torna um fator muito importante para agricultura brasileira, por isso, métodos que visam otimizar esses processos se tornam indispensáveis.

Na agricultura irrigada, o fator água otimizado possibilitará, sem maiores riscos, melhor utilização dos demais fatores de produção e, por consequência, maior produtividade com melhor combinação dos insumos empregados. Sempre partindo do fato de que água é um bem nobre, com disponibilidade cada vez mais limitada e de uso múltiplo. (BERNARDO; SALASSIER, 2008, p.2)

2.3

Sistemas Embarcados

Este tipo de sistema esta ligado ao uso de hardware e software incorporados a dispositivos com objetivos pré-definidos. A principal diferença entre um sistema embarcado e um computador de comum está justamente em sua objetividade. Uma vez que computadores como desktops, notebooks e outros são máquinas multiobjetivas, foram criadas e dimensionadas para atuar em um domínio de funções muito grande. Já os sistemas

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embarcados possuem dimensionamento de recursos direcionados a um domínio de objetivos específicos, ou mesmo singulares. Eles são responsáveis por agregar capacidades computacionais a circuitos integrados ou equipamentos. São sistemas completos e que podem atuar de maneira independente, contudo são desenvolvidos para realizar apenas uma determinada tarefa. Segundo Gallassi et al. (2013, p.79)

Sistemas embarcados são sistemas computacionais fisicamente limitados que são embutidos em outros produtos para melhorar seu funcionamento, estender a quantidade de tarefas que realiza ou mesmo permitir que funcione.

2.3.1

Plataforma Arduino

Para Tavares (2013, p.1), a plataforma Arduino seria:

[...] uma plataforma de prototipagem aberta baseada em hardware e software flexíveis e de fácil utilização. O ambiente Arduino foi desenvolvido para ser fácil para iniciantes que não possuem experiência com desenvolvimento de software ou eletrônica.

Outra definição que se aplica a plataforma Arduino foi feita por McRoberts (2012, p.22), onde ele afirma que Arduino seria um pequeno computador que nos possibilita programá-lo para entradas e saídas entre dispositivos e os componentes externos ligados a ele. Banzi (2012, p.3) afirma que o Arduino é uma plataforma de computação física de código aberto que faz uso de uma placa simples para entrada e saída, sendo compatível com os sistemas Windows, Macintosh e Linux e tem por base como IDE (Integrated Development Environment) o Processing, ambiente de desenvolvimento a ser utilizado. A figura 1 a seguir apresenta uma placa de Arduino2560 Mega que é o modelo da placa que foi utilizada no desenvolvimento do trabalho.

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Figura 1: Imagem de uma placa Arduino MEGA 2560

Fonte: Arduino, 2015.

O Arduino tem uma composição simples, sendo ela um circuito (placa), um chip microcontrolador que é o núcleo do Arduino, e componentes adicionais como capacitores e resistores que são necessários para o seu funcionamento. (Banzi, 2012, p.34) Para a comunicação ser feita entre a placa e componentes adicionais no Arduino, existem pinos analógicos e digitais. São pinos digitais de entrada e saída (pinos 0-13) e 6 pinos de entrada analógicos (pinos 0-5), que recebem entradas analógicas como leitura de tensão de um sensor, que é convertido em um número de 0 a 1023. Caso seja necessária a utilização de mais portas analógicas, 06 pinos digitais podem ser reprogramados no Sketch para trabalhar desta forma (BANZI, 2012, p.34). No entanto como já foi citado anteriormente para o desenvolvimento deste trabalho foi utilizado uma placa Arduino Mega 2560 que possui 54 pinos digitais de entrada / saída e 16 entradas analógicas. O uso da plataforma Arduino tem como maior vantagem à facilidade de sua utilização. Outro aspecto favorável ao uso do Arduino é a grande comunidade de pessoas que compartilham códigos e diagramas de seus projetos para que mais desenvolvedores possam desenvolver e ou aperfeiçoar novos projetos (TAVARES, 2013, p.1).

2.3.2

IDE - Integrated Development Environment

Integrated Development Environment (IDE), Ambiente de Desenvolvimento Integrado é o programa responsável por possibilitar implementações os Sketches ou programas para o Arduino. A programação utilizada no Arduino se baseia na linguagem Processing, de codificação simples e intuitiva. Após a conclusão do Sketch o bloco de código é convertido em linguagem C pela própria IDE, no processo de upload para o Arduino, uma

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vez que a programação feita na linguagem direta entendida pelo microcontrolador seria muito complexa (BANZI, 2012, p.36). A figura 2 a seguir apresenta a IDE de desenvolvimento para Arduino, durante o trabalho foi utilizada a IDE Arduino na versão 1.5.7, no entanto já há uma versão mais atual.

Figura 2: IDE de Desenvolvimento Arduino

Fonte: Arquivo próprio, 2015.

2.3.2.1 Shield Ethernet

Segundo Justen (2013, p.13)

[...]o Arduino possui o que chamamos de shields, que são placas que se acoplam a placa original, agregando funcionalidades a mesma. Existem shields dos mais variados tipos, para as mais diversas funções. Alguns servem como entrada, outros como saída, e ainda outros como entrada e saída. Com os shields conseguimos, por exemplo, fazer o Arduino se comunicar numa rede Ethernet, ou ainda transmitir dados para qualquer dispositivo via Bluetooth, Wi-Fi ou Zigbee. Existem shields com circuitos integrados prontos para controlarmos motores sem que precisemos nos preocupar com complicações eletrônicas envolvidas, outros possuem leitor de cartão SD, acelerômetro,GPS e diversos outros sensores que podem gerar dados importantes para o software que esta rodando no microcontrolador.

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O shield Ethernet possibilita que o Arduino faça uma conexão via rede utilizando um cabo RJ45, com capacidade para velocidades de 10/100Mbps além de possuir uma entrada para cartão micros, que permite o armazenamento de arquivos que podem ser compartilhados via rede. A figura 3 a seguir mostra a placa Shield Ethernet. Figura 3: Placa Shield Ethernet

Fonte: Arduíno, 2015.

2.3.2.2 Sensor de Umidade e Temperatura DHT11 O sensor DHT11 é um sensor que contém saídas digitais de temperatura e umidade. Estes sensores têm seus dados recolhidos de maneira dedicada, para assegurar que os dados tenham uma alta fiabilidade e que seja bem estável em longo prazo (Aosong, p.1). Ele possibilita que sejam feitas leituras de temperaturas entre 0º a 50º Celsius com precisão média de mais ou menos 2.0ºC e umidade entre 20 a 90% com precisão de umidades média de mais ou menos 5,0%UR. O elemento sensor de temperatura é um termistor do tipo NTC e o sensor de Umidade é do tipo HR202, o circuito interno faz a leitura dos sensores e se comunica a um microcontrolador através de um sinal serial de uma via (Aosong, p.1). A figura 4 a seguir demonstra o sensor de temperatura e umidade DHT11.

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Figura 4: Sensor de Umidade e Temperatura DHT11

Fonte: Filipeflop, 2015.

2.3.2.3 Sensor de Pressão

O sensor utilizado neste projeto foi o BMP 085, sensor capaz de fazer leituras de pressão e temperatura, porém para este trabalho estamos considerando apenas os valores de pressão que ele fornece, pois o sensor citado anteriormente (DHT11) tem maior confiabilidade já que seu erro é menor. Com um baixo consumo de energia, e baixa tensão da BMP085 é otimizado para uso em celulares, PDAs, dispositivos de navegação GPS móveis e equipamentos ao ar livre. Seu nível de ruído pode ser considerado baixo já que é de apenas 0,25m de altitude no momento da conversão. Sua interface permite uma fácil integração a sistemas com um microcontrolador (Bosch, 2008). A figura 5 a seguir mostra a sensor de BMP085, que foi utilizado no desenvolvimento do trabalho.

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Figura 5: Sensor de Pressão e Altitude

Fonte: Arduino e Cia, 2015.

2.3.2.4 Sensor de Umidade do Solo

Este sensor permite que sejam detectadas variações de umidade no solo, sendo que quando o solo está seco a saída do sensor fica em estado alto, e baixo quando úmido em estado pouca, contudo podem ser feitas conversões para alterar estes estados. O limite entre seco e úmido pode ser ajustado por meio de um potenciômetro instalado no sensor que regula a saída digital D0. A figura 6 a seguir demostra o sensor utilizado no trabalho.

Figura 6: Sensor de Umidade do Solo

Fonte: Filipeflop, 2015.

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2.3.2.5 Sensor de Chuva

Este sensor e utilizado para monitoramento de gotas de chuva, podendo ser utilizado em automatizações, como controle industrial, casas inteligentes entre outras. Quando o clima está seco a saída do sensor fica em estado alto e quando há uma gota de chuva em estado baixo, quando as trilhas metálicas do sensor não estão molhadas, a resistência entre elas é muito grande, o que resulta em um o sinal próximo ao 0V, porém quando cai água nas trilhas, a resistência entre elas diminui, fazendo com que o sinal se aproxime dos 5V. O limite entre clima seco ou chuvoso pode ser ajustado através de um potenciômetro acoplado ao sensor que regula a saída digital D0. A figura 7 a seguir demostra o sensor utilizado no trabalho. Figura 7: Sensor de Chuva

Fonte: Filipeflop, 2015.

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2.4

Linguagem de Programação C

Na linguagem C, todo programa é considerado um conjunto de funções e não há distinção entre procedimentos e funções como em PASCAL e FORTRAN. As funções têm um nome e argumentos associados, e são compostas por declarações de variáveis e blocos de comandos o que podem incluir ainda chamadas a outras funções. Blocos de comandos composto por mais de um comando deve ser delimitado por um par de chaves (Zuben, p.1). A linguagem C foi criada por Dennis Ritchie, em 1972, no centro de Pesquisas da Bell Laboratories. Sua primeira utilização importante foi a reescrita do Sistema Operacional UNIX, que até então era escrito em assembly (UNICAMP, P.3).

Serão utilizadas de bibliotecas, com códigos e dados adicionais, para que se torne possível o desenvolvimento das funções a serem executadas no Arduino IDE.

2.5

PHP - Hypertext Preprocessor PHP significa: Hypertext Preprocessor. Originalmente foi chamado de “Personal

Home Page Tools”; porem com sua grande expansão, um novo e mais apropriado nome foi escolhido por votação da comunidade. Pode ser feito o uso de qualquer extensão que desejar para designar um arquivo PHP, entretanto os mais recomendados são .php, .phtml (Siqueira, p.10).

O PHP é um módulo oficial do servidor http Apache, o líder do mercado de servidores Web livres que constitui aproximadamente 55 por cento da World Wide Web. Isso significa que o mecanismo de script do PHP pode ser construído no próprio servidor Web, tornando a manipulação de dados mais rápida. Assim como o servidor Apache, o PHP é compatível com várias plataformas, o que significa que ele executa em seu formato original em várias versões do UNIX e do Windows. Todos os projetos sob a égide da Apache Software Foundation – incluindo o PHP – são software de código-fonte aberto (Siqueira, p.10).

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2.6

Computação na Nuvem

Segundo Pedrosa et al (2011, p.1) a computação na nuvem ou Cloud Computing é um modelo de computação que permite que o usuário final acesse uma grande quantidade de aplicações e serviços em qualquer lugar e independente da plataforma, bastando para isso ter um terminal conectado à “nuvem”. Para PEDROSA et al (2011, p.1) a palavra nuvem indica uma ideia de ambiente desconhecido, o qual podemos ver somente seu início e fim. Sendo assim esta nomenclatura foi muito bem empregada a este modelo, onde toda a infraestrutura e recursos computacionais ficam “escondidos”, tendo o usuário o acesso apenas a uma interface padrão onde é disponibilizado todo o conjunto de variadas aplicações e serviços.

A nuvem é representada pela internet, isto é, a infraestrutura de comunicação composta por um conjunto de hardwares, softwares, interfaces, redes de telecomunicação, dispositivos de controle e de armazenamento que permitem a entrega da computação como serviço (PEDROSA et al: 2011, p.1).

Sendo assim a computação na nuvem representa um modelo de serviço capaz de fornecer todo o tipo de processamento, infraestrutura e armazenamento de dados por meio da internet (tanto como componentes separados ou uma plataforma completa) baseado na necessidade do usuário (PEDROSA et al, 2011, p.1).

2.7

Internet das Coisas

Atualmente podemos conectar e integrar uma série de dispositivos, desde eletrodomésticos até complexas máquinas industriais, interligando estes objetos através da Internet, deste modo temos o surgimento do termo Internet das Coisas. Doukas (2012), afirma que existem várias definições para Internet das Coisas (do inglês Internet of Things - IoT) onde alguns dizem que é a internet onde as “coisas” se comunicam, ele afirma também até que IoT é um potencial integrante da internet do futuro. A inclusão de dispositivos físicos e aparelhos eletrônicos a internet traz inúmeras possibilidades para o desenvolvimento de novas aplicações, as quais podem fazer uso das informações e serviços desses dispositivos com diferentes propósitos (FRANÇA, 2011, p.5).

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2.7.1 ThingSpeak

O ThingSpeak é um serviços baseados em computação na nuvem utilizada para armazenamento de dados enviados pelos sensores do Arduino. Ele fornece uma interface entre aplicativo e programação (do inglês Application Programming Interface – API) que envia dados diretamente dos sensores para um ambiente web, também permiti a visualização dos mesmos em forma de gráficos totalmente personalizáveis. Esta API está disponível no GitHub GitHube incluindo a API ThingSpeak completa para o processamento de solicitações HTTP, armazenamento de dados numéricos e alfanuméricos, processamento de dados numéricos e atualizações de status. Este serviço foi utilizado para armazenar e gerar gráficos dos dados climatológicos coletados pela EMR.

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3

PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Inicialmente, foram realizadas revisões literárias com o intuito de identificar características das tecnologias que seriam utilizadas no decorrer do desenvolvimento do projeto, tanto o hardware, quanto o software necessário. Posteriormente, para que houvesse uma melhor compreensão, a metodologia foi subdividida em três fases, a montagem dos circuitos eletrônicos, o desenvolvimento do código fonte do Arduino e, por fim, a elaboração de uma página para exibição dos dados colhidos pela EMR. Este trabalho consistiu em coleta, armazenamento e exibição de dados (Temperatura, umidade do ar, pressão, altitude, umidade do solo e chuva) para o usuário via display acoplado à estação ou em uma página web. Estes dados coletados pela estação são exibidos na pagina via gráficos para que facilite o entendimento. Quando o usuário inicia o processo de coleta de dados a estação começa a fazer leitura de todos os sensores simultaneamente e envia os valores dessas leituras para a página onde os gráficos se atualizam a cada minuto. Estes dados também são armazenados para análises posteriores, uma vez que conhecer a condições climáticas locais (dentro da cultura) é de grande importância.

3.1

Componentes Eletrônicos

O circuito eletrônico que é responsável pela ligação entre o Arduino e os outros componentes do projeto. Dentre os principais componentes estão: o Arduino, um Sensor de umidade do solo, sensor de temperatura, sensor de altitude e pressão, sensor de chuva e um Display para exibição de dados. Todos os componentes estão ligados através de cabos jumper macho/macho e macho/fêmea, com 10cm a 20cm cada, dependendo da distância necessária entre os componentes. O Shield Ethernet não faz uso jumper, pois ele se acopla à placa Arduino, encaixando-se na parte superior e reproduzindo sua pinagem. Neste projeto temos o Arduino como o núcleo de todo o sistema. De acordo com sua programação, ele envia comandos aos demais componentes do projeto, é por isso que todos precisam estar diretamente conectados a ele. Esta comunicação se dá através das portas de entrada/saída.

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3.1.1 Arduino MEGA 2560

Como foi citado anteriormente para o desenvolvimento deste projeto foi utilizado estou utilizando o Arduino modelo MEGA 2560 (Figura 1) ele possui 54 pinos digitais (entrada/saída) sendo que 15 podem ser utilizados como saídas PWM (2 a 13 e 44 a 46), 16 pinos analógicos, 4 USARTs (Portas Seriais de Hardware), um cristal oscilador de 16MHz, entrada USB, entrada de alimentação, soquete de comunicação ICSP e um botão reset. O Mega 2560 é compatível com a maioria dos shields feitos para o Arduino 2009 ou Diecimila.

3.1.2 Shield Ethernet

O Ethernet Shield possibilita que uma placa Arduino conecte-se a internet. É baseado no chip ethernet da Wiznet W5100, fornecendo um IP TCP e UDP. O shield ethernet se conecta ao Arduino por meio de uma barra de pinos maiores do que as comuns. Deste modo os pinos da placa não entrem em contato com outros pinos colocados na placa de cima, evitando assim curtos. Este Shield faz o envio dos dados coletados pelos demais sensores acoplados ao Arduino para a página de exibição.

3.1.3 Sensores de monitoramento Climático

Neste tópico entram os sensores BMP085 e o DHT11, que são responsáveis por fazer a leitura climática da região onde o projeto estiver implantado. Estes sensores fazem leituras de temperaturas, umidade, pressão atmosférica e altitude, com intervalos de tempo previamente definidos no programa. O Arduino interpreta os valores lidos pelos sensores e os envia para página web para onde são gerados gráficos para exibição dos mesmos.

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3.1.4 Sensor de Umidade do Solo e Sensor de Chuvas

Estes sensores permitem que variações de umidade no solo e que gotas de chuva sejam detectadas pelo sistema. As trilhas metálicas que compõem estes sensores quando estão secas, a resistência entre e alta, o que resulta em um o sinal próximo ao 0V, no entanto quando cai água nas trilhas, a resistência entre elas diminui e faz com que o sinal se aproxime dos 5V. No entanto estes sensores limitam-se a indicar apenas se choveu ou esta chovendo e se o solo esta seco ou úmido, pois pela maneira que foram desenvolvidos não são capazes de retornar quantidades exatas.

3.2

Sketch

O código fonte que é armazenado no Sketch que é o núcleo do Arduino. Ele executa comandos quando recebe mensagens enviadas por uma interface do usuário ou pelos sensores ligados a ele, desta forma ele realiza ações especificadas. Sua linguagem é conhecida como Processing, e utiliza basicamente funções da linguagem C. De acordo com os componentes do projeto, são utilizadas bibliotecas específicas, como no caso do Shileld Ethernet, que se utiliza a biblioteca Ethernet.h para realizar algumas funções de comunicação de rede e socket. Uma sketch é composta por três partes, a definição das bibliotecas, variáveis e seus valores, função Void Setup() recebe as configurações dos dispositivos e portas e a Void Loop(), é onde fica localizado o código fonte, onde são inseridas as instruções, regras, condições e ações que serão repetidas continuamente. As bibliotecas necessárias foram SPI.h, Ethernet.h, Adafruit_PCD8544.h, Adafruit_BMP085.h e a dht.h. A biblioteca SPI.h faz a comunicação entre o microcontrolador central com os demais componentes, através dos pinos analógicos e digitais. A biblioteca Ethernet.h possibilita, através de um Shield Ethernet, conexão de rede ethernet, a Adafruit_PCD8544.h é uma das bibliotecas utilizadas pelo display 5110 (podem ser utilizadas bibliotecas de terceiros, porem esta é a fornecida pela própria Adafruit que é quem comercializa este tipo de display.), Adafruit_BMP085.h é a responsável pelo funcionamento do modulo BMP085 (sensor de altitude e pressão) e a dht.h que é utilizada pelo sensor DHT11 para medição de temperatura e umidade .

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Algumas imagens de trechos do sketch, consideradas como importantes, serão exibidas a seguir. Na Figura 8, temos as configurações da API do ThingSpeak são feitas configurações iniciais e testes para que o Shield Ethernet possa enviar dados para o servidor.

Figura 8: Código Fonte da API do ThingSpeak

Fonte – Elaborada pelo Autor, 2015

Após o Shield Ethernet fazer a conexão com o servidor ele começa a enviar os dados que estão sendo coletados pelos sensores para serem armazenados e para que os gráficos gerados pelo ThingSpeak também possam ser atualizados. Na figura 9 tem-se a parte do sketch que mostra como estes dados são enviados.

Figura 9: Código Fonte do Envio dos Dados

Fonte: Elaborada pelo Autor, 2015.

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Houve a necessidade de serem criados dois tipos de funções, uma que retornasse valores inteiros e outra que tinha seus valores convertidos em Strings, pois para que o ThingSpeak gerasse os gráficos os valores enviados para ele não poderiam estar como inteiros mas sim como Strings. A figura 10 mostra os dois tipos de funções que foram criadas, sendo que as que terminam com ws são que estão sendo convertidas, as outras estão sendo utilizadas para exibição no display da EMR.

Figura 10: Tipos de Funções Criadas

Fonte: Elaborada pelo Autor, 2015.

3.3

Orçamento e Comparativo de Preços

Para o desenvolvimento do projeto, foi necessária a compra de alguns componentes e equipamentos. A seguir, é mostrada uma tabela com a identificação do equipamento/componente utilizado, e os seus respectivos valores.

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Tabela 1: Orçamento do Projeto Equipamento/Componente

Valor

Microcontrolador Arduino Mega 2560

R$ 59,00

Ethernet Shield

R$ 45,00

Sensor de Umidade do Solo

R$ 14,00

Sensor de Chuva

R$ 17,00

Sensor de Temperatura

R$ 12,00

Sensor de Pressão

R$ 24,00

Protoboard 640 Pinos

R$ 14,00

Cabos Jumper

R$ 13,00 TOTAL

R$ 198,00 Fonte: Própria, 2015.

Com o intuito de demonstrar que a EMR tem um custo inferior a produtos similares no mercado foi montado uma tabela comparativa. A tabela a baixo contem as funcionalidades da EMR e de alguns produtos disponíveis no mercado. Tabela 2: Tabela comparativa de Preços Estação

Tempo

Meteorological

Umid.

Pressão

Alt.

Ar

Umid

Chuva

. Solo

Upload

Página

Dados

WEB

CUSTO

E.M.R

SIM

SIM

SIM

SIM

SIM

SIM

SIM

SIM

R$ 198

Estação

SIM

SIM

NÃO

SIM

NÃO

SIM

NÃO

NÃO

R$ 1.099

Estação DAVIS

SIM

SIM

NÃO

NÃO

NÃO

NÃO

NÃO

NÃO

R$ 1.500

Estação sem fio

SIM

SIM

SIM

NÃO

NÃO

SIM

NÃO

NÃO

R$ 335

Estação

SIM

SIM

SIM

SIM

NÃO

SIM

NÃO

NÃO

R$ 1.350

OREGON

Touch

Screen

Fonte: Própria, 2015.

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4

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Este trabalho teve a finalidade de desenvolver uma estação meteorológica reduzida de baixo custo, que proporcionasse ao agricultor condições de monitorar o clima dentro de sua lavoura. O sistema fornece ao agricultor informações como, umidade do solo, temperatura ambiente, humidade do ar se houve chuva ou não, além de pressão atmosférica e altitude. Estas informações podem ser valorosas na hora da escolha de quando irrigar uma cultura e até mesmo o quanto irrigar. Informações deste tipo podem ajudar os produtores a economizarem água e energia reduzindo gastos e poupando recursos naturais. O sistema também armazena os dados meteorológicos que ele regista, para o caso de que haja a necessidade de consultar as variações climáticas da região em que está inserido. Para que o usuário possa visualizar os dados colhidos pela estação ele pode acessar uma pagina com gráficos. As figuras 11, 12 e 13 demonstram como são exibidos os gráficos quando acessados pelo usuário.

Figura 11: Gráfica de Temperatura Ambiente

Fonte: Própria, 2015.

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Figura 12: Gráfica de Umidade Relativa do Ar

Fonte: Própria, 2015.

Figura 13: Gráfico de Umidade

Fonte: Própria, 2015.

Em implementações futuras o sistema poderá trabalhar com métodos de inteligência computacional ou mineração em cima dessa base de dados que ele armazena. Outra vantagem do sistema é que ele é de fácil expansão, uma vez que seja feita a aquisição de mais sensores para que mais dados possam ser recolhidos do ambiente.

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Como o trabalho se tratava de um protótipo acadêmico, os testes de implementações foram realizados em uma pequena escala, e ocorreram da seguinte maneira: Primeiramente, foram aplicados testes ao sistema para avaliar seu funcionamento de duas maneiras: de forma on-line, onde o projeto envia dados para um web service e gera gráficos em uma pagina web ,independente de sua proximidade aos demais componentes, bastando possuir conexão com a internet além de armazenamento dos mesmo. E, em modo local, onde não há a necessidade de possuir conexão com a internet, porem o sistema apenas apresenta os valores lidos pelos sensores no display acoplado a EMR. Como foi utilizado um shield ethernet que replica as pinagens do Arduino houve o receio de que os pinos usados para leitura de dados não funcionassem corretamente, entretanto tanto em testes separados como em conjunto com os demais sensores, os pinos replicados sobre o Shield funcionaram corretamente. Um pequeno problema durante o desenvolvimento do trabalho foi com relação ao modelo do display utilizado, o modelo 5110 originalmente era usado por celulares, porem foi adaptado para servir como display para implementações com Arduino, ele possibilita vária alterações de tamanho de fonte e mudança de textura das cores básicas, porem como anteriormente era utilizado para celulares ele limpa o Buffer por sozinho de tempos em tempos dificultando assim a impressão valores em sua tela. Para resolver este problema foram feitas pesquisas e buscas por bibliotecas que possibilitassem um melhor funcionamento do display. Todo o desenvolvimento do projeto ocorreu de maneira tranquila sem que houvesse grandes problemas em seu desenvolvimento. Foram alcançadas as funções préestabelecidas no escopo do projeto, assim como foram realizar todos os objetivos do trabalho.

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CONSIDERAÇÕES FINAIS

O trabalho foi desenvolvido com o propósito de colher dados meteorológicos e armazená-los, para que esses fossem analisados posteriormente. Com o intuído de provar além da eficiência, que é uma solução de baixo custo, comparado a produtos similares no mercado e que nem tem as mesmas funcionalidades. Os objetivos propostos no projeto, como o desenvolvimento de uma Estação meteorológica Reduzida, a coleta e o armazenamento de dados meteorológicos, foram concluídos com êxito, e ainda foi criada uma pagina para visualização destes dados a qualquer momento. Concluo que os resultados obtidos foram satisfatórios, além de proporcionar maior comodidade aos usuários, uma vez que ele não necessita estar presente no local onde a Estação está inserida para visualizar os dados colhidos pelo sistema. Proponho para realização de trabalhos futuros a inserção de novas funcionalidades, como tratamento dos dados coletados pelo sistema através de inteligência computacional ou mineração de dados, acionamento automáticos das bombas de irrigação, Utilização de sensores de umidade do solo e de precipitação mais precisos. Caso essas implementações futuras sejam feitas o sistema poderá analisar os dados através de inteligência computacional e poderá tomar decisões de quando será o momento mais oportuno para irrigar e o quanto deve ser irrigado, aumentando ainda mais a economia de água e energia. Para a página web, propõe-se que seja acrescentado controle de acesso para as informações além de um botão de download dos dados coletados direto da página.

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