BR132013032762E2 - Automated evaporimetric apparatus and method for irrigation tanks class a - Google Patents

Abstract

aparato e método evaporimétrico automatizado para tanques de irrigação classe a a presente invenção descreve um aparato e método evaporimétrico automatizado para tanques de irrigação classe a, mais especificamente, a presente invenção se refere a um aparato voltado para a otimização de sistemas de automação de irrigações.

Description

Aparato e Método Evaporimétrico Automatizado para Tanques de Irrigação Classe A

Relatório Descritivo de Certificado de Adição de Invenção PI 1102641-3, depositado em 10/06/2011 Campo da Invenção [0001] A presente invenção descreve um aparato e método evaporimétrico automatizado para tanques de irrigação classe A, mais especificamente, a presente invenção se refere a um aparato voltado para aperfeiçoar sistemas de automação de irrigações. A presente invenção se situa basicamente no campo da Engenharia Eletrônica.

Antecedentes da Invenção [0002] Para determinação de "quando" e "quanto" irrigar, um dos métodos mais precisos e de menor custo, além de mundialmente aceito, é o método do Tanque Classe A criado pela U.S.W.B - United States Weather Bureau. O método do Tanque Classe A apresenta como vantagem medir a evaporação da água em uma superfície livre, associado aos efeitos integrados da radiação solar, do vento, da temperatura e da umidade relativa do ar. Utiliza-se, para fins de cálculo de evapotranspiração de referência, de outros sensores auxiliares como: umidade relativa do ar, temperatura do ar, radiação solar, velocidade e direção do vento. Estes sensores melhoram a precisão do método, e constituem assim uma "Estação Evaporimétrica".

[0003] Um tanque classe A convencional é constituído de um reservatório de chapa de aço inoxidável n° 22, com 1,21 m de diâmetro interno e 0,255 m de profundidade. Ele deve ser instalado sobre um estrado de madeira de 0,15 m da superfície do solo, geralmente no centro da área a ser irrigada. Dentro deste tanque é instalado um poço tranquilizador, um micrometro de gancho (parafuso micrométrico) e um termômetro de máxima e mínima temperatura d'água.

[0004] O tanque deve ser cheio de água até 5 cm da borda superior e o nível da água não deverá variar mais do que 2,5 cm. A medição da altura da água evaporada é feita, no interior de um poço tranquilizador, com um micrômetro de gancho, que é capaz de medir variações de 0,02mm, desde que corretamente manuseado.

[0005] Junto ao Tanque Classe A é instalado um tanque auxiliar utilizado para repor a água evaporada do Tanque Classe A. O tanque auxiliar mantém a água à mesma temperatura do Tanque Classe A, evitando que a reposição de água altere a temperatura da mesma.

[0006] A leitura dos dados referentes à evaporação da água, assim como a reposição da água evaporada para manutenção do nível, e a leitura dos demais sensores, é feitas manualmente algumas vezes ao dia, ocasionando leituras imprecisas destes dados, além da demora em tomar a decisão apropriada de irrigar. Em caso de precipitação, a manutenção manual do nível é dificultosa além de perigosa.

[0007] A partir das dificuldades de obtenção de dados em tempo real e de obtenção de precisão no método convencional, o invento trata de uma Estação Evaporimétrica Automatizada para aquisição, armazenamento, controle e transmissão de dados em tempo real do Tanque Classe A -U.S.W.B. O controle e monitoramento automático de evaporímetros aumentam a confiabilidade nos dados gerados e reduz os custos de operação. É uma solução inovadora e eficiente para medição da evapotranspiração [0008] No âmbito patentário, foram localizados alguns documentos relevantes que serão descritos a seguir.

[0009] O documento US 2010/ 0030476 revela um sistema de irrigação compreendendo um controlador de irrigação remoto com uma função de ajuste de estação e uma estação de tempo rêmora compreendendo pelo menos um sensor ambiental e compreende adicionalmente uma estação evaporimétrica. A presente invenção difere deste documento por fazer o monitoramento constante de variáveis, por não depender de fórmulas para ajustes evaporimétricos e por se tratar de um aparato para tanques classe A.

[0010] O documento 2007/ 0191991 revela um controlador de irrigação programado para automaticamente iniciar comunicação com um servidor de dados para realizar pelo menos uma das seguintes funções: (a) trocar dados de irrigação: (b) receber dados de controle: e (c) receber dados de sincronização. A presente invenção difere deste documento por realizar o monitoramento constante de variáveis, por não depender de fórmulas para ajustes evaporimétricos e por se tratar de um aparato para tanques classe A.

[0011] O documento US 4,380,248 revela um equipamento de medição de evaporação e precipitação, o qual pode medir continuamente e automaticamente a evaporação de uma superfície de água e simultaneamente a precipitação, utilizando medidas indiretas. A presente invenção difere deste documento por se tratar de um aparato para tanques classe A, e por ser capaz de realizar medições diretamente no tanque.

[0012] Do, que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados, documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

Sumário da Invenção [0013] Apresente invenção descreve um aparato evaporimétrico automatizado para Tanques de Irrigação Classe A. A presente invenção possui como diferencial a capacidade de vencer as dificuldades de obtenção de dados em tempo real e de obtenção de dados com precisão existente no método convencional.

[0014] É, portanto, um objeto da presente invenção o aparato evaporimétrico automatizado para Tanques de irrigação classe A que compreende: a) meios para comunicação com um computador; b) meios para adquirir dados pertencentes ao grupo que compreende nível de água, temperatura da água, velocidade e direção do vento, quantidade de chuvas, radiação solar, temperatura do ar, umidade do ar e combinações dos mesmos; c) meios para processar e monitorar constantemente os dados de (b); d) interface homem máquina; e e) meios para manipular parâmetros do referido tanque em função dos referidos dados obtidos e processados.

[0015] Em uma realização preferencial, o aparato compreende adicionalmente meios para armazenamento e leitura dos dados em mídias removíveis.

[0016] Em uma realização preferencial, a comunicação entre computador e o aparato se dá por interface sem fio [0017] Em uma realização preferencial, o aparato compreende adicionalmente estações repetidoras de sinal sem fio, para comunicação com um computador a longas distâncias.

[0018] Em uma realização preferencial, os componentes do aparato são compreendidos em um quadro de comando com classe de proteção IP67 ou superior.

[0019] Em uma realização preferencial, os meios para adquirir dados em (b) compreendem sensores pertencentes ao grupo que compreende sensor de temperatura e umidade do ar, sensor de temperatura de água, anemômetro, sensor de nível de água capacitivo, pluviômetro, radiômetro, e combinações dos mesmos.

[0020] Em uma realização preferencial, o meio para processar e monitorar os dados compreende o uso de um microcontrolador.

[0021] Em uma realização preferencial, os parâmetros manipulados do referido tanque por (e) compreendem a faixa de variação do nível de água no tanque. Em uma realização preferencial tal nível de água é controlado com o auxilio de atuadores e um tanque reserva conectado ao mesmo.

[0022] É objeto adicional da presente invenção o método de automatização de tanques de irrigação classe A, compreendendo as etapas de: a) se comunicar com um computador; b) adquirir dados pertencentes ao grupo que compreende nível de água, temperatura da água, velocidade e direção do vento, quantidade de chuvas, radiação solar, temperatura do ar, umidade do ar, e combinações dos mesmos; c) processar e monitorar constantemente os dados de (b); d) informar tais dados para um usuário; e e) manipular parâmetros do referido tanque em função dos referidos dados obtidos e processados.

[0023] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir.

Breve Descrição das figuras [0024] A Figura 1 revela um diagrama dos sistemas constituintes da Estação Evaporimétrica Automática elaborada no Exemplo 1 do presente documento, onde: (11) IHM; (12) Sistema de armazenamento; (13) Rede Wireless; (14) Unidade de Energia; (15) Placa de Controle; (16) Transmissor/receptor remoto; (17) Transmissor/ receptor base; (18) Sistema de aquisição; e (19) Tanque Classe A.

[0025] A Figura 2 ilustra o arranjo dos diversos sensores e bombas d’água na Estação Evaporimétrica elaborada no Exemplo 1, onde: (100) Teclado; (101) Display; (103) Quadro de Comando; (104) Sensor de Nível Capacitivo; (105) Sensor de Temperatura da água; (106) Tanque Classe A; (107) Tanque Reservatório; (108) Boia de nível do reservatório; (109) Sensor de Temperatura e Umidade do ar SHT71; (110) Sensor de Radiação Solar; (111) Sensor de pressão MPXV5004G; (112) Sensor de quantidade de chuvas; (113) Bomba do Sensor de quantidade de chuvas; (114) Sensor de Velocidade do Vento; (115) Sensor de Direção do Vento; (116) Sensor de Porta Aberta do Quadro de Comando; (117) Bomba do Tanque Classe A; (118) Bomba do Tanque Reservatório.

[0026] A Figura 3 ilustra o arranjo do sensor de nível de água capacitivo.

[0027] A Figura 4 ilustra o arranjo do pluviômetro.

[0028] A figura 5 ilustra o arranjo do sensor de temperatura e umidade relativa do ar.

[0029] A figura 6 ilustra o arranjo do sensor de temperatura da água.

[0030] A Figura 7 contempla o diagrama eletrônico de controle da estação remota desenvolvida no Exemplo 1.

[0031] A Figura 8 demonstra o diagrama eletrônico da placa de saída para acionamento das bombas de controle de nível.

[0032] Na Figura 9 observa-se o circuito eletrônico da placa de armazenamento em Pen-drive, utilizando o protocolo de comunicação USB e controlador dedicado.

[0033] A Figura 10 contempla o diagrama eletrônico da placa de armazenamento em cartão SD.

[0034] A Figura 11 ilustra o diagrama eletrônico da placa de condicionamento de sinal do sensor de radiação solar desenvolvido no Exemplo 1.

[0035] A Figura 12 revela um diagrama eletrônico do sensor de nível capacitivo desenvolvido no Exemplo 1.

[0036] A Figura 13 contempla o diagrama eletrônico dos demais sensores utilizados e o seu local de ligação na placa de controle da Estação Evaporimétrica desenvolvida no Exemplo 1.

[0037] A Figura 14 revela o diagrama eletrônico da estação base e da placa de transmissão da estação remota usando um rádio com protocolo de comunicação ZIGBEE desenvolvida no Exemplo 1.

[0038] A Figura 15 ilustra o diagrama eletrônico da placa do repetidor de rádio com protocolo de comunicação ZIGBEE desenvolvido no Exemplo 1.

[0039] A Figura 16 ilustra o diagrama eletrônico da unidade de energia desenvolvido no Exemplo 1.

[0040] As Figuras 17 a 22 comtemplam os fluxogramas do método de controle da Estação Evaporimétrica.

Descrição Detalhada da Invenção [0041] Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo, sem limitar o escopo da mesma Aparato Evaporimétrico Automatizado para Tanques de Irrigação Classe A

[0042] O aparato evaporimétrico automatizado para tanques de irrigação classe A da presente invenção compreende: a) meios para comunicação com um computador; b) meios para adquirir dados pertencentes ao grupo que compreende nível de água, temperatura da água, velocidade e direção do vento, quantidade de chuvas, radiação solar, temperatura do ar, umidade do ar, e combinações dos mesmos; c) meios para processar e monitorar constantemente os dados de (b); d) interface homem máquina; e e) meios para manipular parâmetros do referido tanque em função dos referidos dados obtidos e processados.

Armazenamento de Dados [0043] O aparato compreende adicionalmente meios para armazenamento e leitura dos dados em mídias removíveis, sendo eles: cartão SD e Pen-drive. Em qualquer uma das mídias removíveis, os dados são gravados em arquivo texto, com os valores separados por vírgula. Os registros de dados gravados são iniciados pelo caractere de nova linha, e os dados precedidos pela data e hora de armazenamento. No final de cada registro de dados é gravado um código de correção de erros (CRC) para evitar que os dados eventualmente danificados sejam considerados válidos.

Comunicação com Computador [0044] De acordo com a presente invenção, o aparato evaporimétrico da presente invenção é capaz de se comunicar com um computador, por quaisquer meios que possibilitem tal comunicação.

[0045] Em uma realização preferencial, a comunicação entre o computador e o aparato se dá por interface sem fio.

[0046] A presente invenção inclui, mas não se limita a: GSM, Rádio, Infravermelho e combinações. Uma interface particularmente preferencial é a proporcionada pela interface wireless ZigBee.

[0047] Em uma realização preferencial, o aparato compreende adicionalmente estações repetidoras de sinal sem fio para comunicação com um computador a longas distâncias.

Quadro [0048] Em uma realização preferencial, os componentes do aparato são compreendidos em um quadro de comando com classe de proteção IP67 ou superior.

Aquisição de Dados [0049] São utilizáveis na presente invenção quaisquer sensores capazes de obter os dados citados no item (b).

[0050] Em uma realização preferencial, os meios para adquirir dados em (b) compreendem sensores pertencentes ao grupo que compreende sensor de temperatura e umidade do ar, sensor de temperatura de água, anemômetro, sensor de nível de água capacitivo, pluviômetro, radiômetro, e combinações dos mesmos.

[0051] Sensores comerciais particularmente preferenciais na presente invenção incluem, mas não se limitam a sensor de temperatura e umidade relativa do ar SHT71; sensor de temperatura TC74; anemômetros; pluviômetros com MPXV5004G e combinações dos mesmos.

Processamento e Monitoramento de Dados [0052] De acordo com a presente invenção, o processamento e monitoramento dos dados pode se dar através de quaisquer componentes capazes de realizar tal tarefa, incluindo, mas não se limitando, a processadores e microcontroladores.

[0053] Em uma realização preferencial, os meios para processar e monitorar dados compreende o uso de um microcontrolador. Um microcontrolador particularmente eficiente na presente invenção é o PIC18F4553I/PT da Microchip®.

Parâmetros [0054] De acordo com a presente invenção, os parâmetros do tanque manipuláveis incluem quaisquer tipos de variáveis que interessem serem alteradas, tais como os níveis máximo e mínimo do tanque, os níveis máximo e mínimo do pluviômetro, entre outras.

[0055] Em uma realização preferencial, os parâmetros do referido tanque, manipulados por (e), compreendem os níveis máximo e mínimo de água no tanque. Em uma realização preferencial, tal nível de água é controlado com o auxílio de atuadores (bombas) e um tanque reserva conectado ao mesmo, de modo que não haja variação maior do nível de água do tanque que 25 milímetros.

[0056] Em uma realização preferencial, os parâmetros do pluviômetro manipulados por (e), compreendem os níveis máximo e mínimo de água no pluviômetro. Em uma realização preferencial, tal nível de agua é controlado com o auxílio de um atuador (bomba ou válvula), de modo que não haja transbordamento do mesmo.

[0057] Em uma realização preferencial, os parâmetros de transmissão manipulados por (e), compreende o tempo pré-programado para transmitir Este tempo determina de quanto em quanto tempo será realizada a transmissão dos dados, assim como será gravado os dados em mídia removível para armazenamento em caso de falha na transmissão.

[0058] Em uma realização preferencial, os parâmetros de calibração dos sensores manipulados por (e), compreendem os fatores de escala: da temperatura da água do tanque, do nível de água do tanque, do nível de água do pluviômetro, da velocidade do vento, da direção do vento, do nível de radiação solar, do nível de tensão da batería, da temperatura do ar e da umidade relativa do ar.

Método de Automatização de Tanques de Irrigação Classe A

[0059] É um objeto adicional dá presente invenção o método de automatização de tanques de irrigação classe A compreendendo as etapas de: a) Transmitir e receber dados de um microcomputador em intervalos de tempos pré-programados e em tempo real; b) adquirir dados pertencentes ao grupo que compreende data e hora, nível de água, temperatura da água, velocidade e direção do vento, quantidade de chuvas, radiação solar, temperatura do ar, umidade do ar, tensão da batería, e combinações dos mesmos; c) processar e monitorar constantemente os dados de (b); d) Informar tais dados através da Interface Homem-Máquina (IHM) formada pelo display de LCD, teclado e sonorizador (buzzer); e e) manipular parâmetros do referido tanque em função dos referidos dados obtidos e processados.

[0060] O método utilizado para processar o estabelecido no item (a) consiste em estabelecer, através da IHM da estação remota, ou através do microcomputador instalado junto à estação base, um intervalo de tempo fixo para as transmissões de dados diretamente relacionados à evaporação do tanque classe A. Os dados dos sensores são enviados periodicamente da estação remota para a estação base e, ao mesmo tempo, são armazenados em uma mídia removível instalada na estação remota.

[0061] Para os dados não diretamente relacionados com a evaporação, como: sensor de nível de água do tanque ou pluviômetro fora dos níveis pré-estabelecidos, boia do reservatório de água em nível mínimo, sensor de porta aberta do quadro de comando indicando a abertura do mesmo, ou sensor de tensão da bateria em nível mínimo, imediatamente estes dados são enviados da estação remota para a estação base. Este método possibilita que os dados de interesse evaporimétrico possam ser registrados em uma taxa de aquisição adequada, e os dados de interesse de manutenção possam ser rapidamente identificados e tratados adequadamente.

[0062] E ainda, independentemente do tempo pré-programado para as transmissões/armazenamento, a estação base poderá solicitar os dados da estação remota, ou enviar os parâmetros de controle para modificar o funcionamento da mesma, conforme a necessidade, estabelecendo assim uma comunicação em tempo real com a mesma.

[0063] O método utilizado para processar o estabelecido no item (b) e (c) consiste em sobreamostrar os valores dos sensores e armazená-los na memória RAM do microcontrolador no intervalo de tempo pré-ajustado. Os dados são então validados por algoritmos individuais gravados no microcontrolador para cada sensor, tomando como referência os últimos valores lidos. Os valores fora do desvio padrão são descartados e a média dos valores válidos é calculada. O conjunto de dados válidos é então gravado em mídia removível, em períodos de tempos regulares, juntamente com data e hora da aquisição, com uma resolução e acurácia suficientes. A cada intervalo de uma hora, e para cada sensor utilizado na estação evaporimétrica, é calculado e armazenado o coeficiente de variação dos dados armazenados em percentual. Caso os dados apresentem um coeficiente de variação superior à parâmetros pré-determinados, o operador na estação base pode tomar as medidas necessárias.

[0064] O método para atender a (d) pode ser visualizado nas figuras 17, 18 e 19, e consiste em um sistema de navegação de telas em níveis, no qual é possível alternar entre os diversos níveis com o uso do teclado de 12 teclas. A cada pressionar de uma tecla, um bip correspondente é gerado no sonorizador, facilitando a identificação por parte do operador.

[0065] Com a leitura do valor do coeficiente de variação de cada um dos sensores, um operador na estação base pode atender (e) caso julgue necessário. Ainda, com a leitura da temperatura da água do tanque, o microcontrolador pode automaticamente corrigir o valor do nível do tanque aplicando a equação adequada para a variação da capacitáncia em função da temperatura da água, assim como para os demais sensores corrigir automaticamente variação nos valores em função da temperatura do ar.

Exemplo 1. Realização Preferencial [0066] O sistema de controle e aquisição de dados deste exemplo é constituído de sensores, atuadores, microcontrolador, interface para usuário, sistema de gravação com pen-drive ou cartão SD, rádio transmissores e fontes de alimentação. Os dados coletados são armazenados e, posteriormente, transmitidos para telemetria através de rede wireless ZigBee®.

[0067] O presente exemplo é constituído por três estações, conforme seus locais de instalação: Estação Remota, Estação Repetidora e, Estação Base. As figuras 7, 15 e 14 ilustram os circuitos eletrônicos principais de cada uma destas estações. Os equipamentos são divididos em suas partes funcionais. A Figura 1 mostra o croqui destes sistemas, com o acréscimo de um microcomputador para recepção dos dados enviados. Estes sistemas são: (18) sistema de aquisição de dados/sensores, (12) sistema de armazenamento, (15) sistema de controle, (14) unidade de energia, (11) IHM (interface Homem-Máquina), (19) Tanque Classe A e (13), (16), (17) como sistema de transmissão/recepção.

[0068] Os equipamentos de controle, aquisição de dados, armazenamento, IHM e transmissão/recepção, em sua maioria, são instalados em quadro de comando plástico, hermeticamente fechado, classe de proteção IP67, a prova de intempéries.

[0069] Na estação remota, os demais equipamentos são instalados junto ao tanque classe A, ou junto ao tanque auxiliar utilizado para repor a água evaporada do tanque Classe A. O arranjo dos diversos elementos na estação remota pode ser visualizado na figura 2. 1.1 - Sistema de aquisição de dados [0070] O sistema de aquisição de dados é constituído de diversos, sensores, como: nível de água, temperatura da água, sensor de velocidade e direção do vento (anemômetro), pluviômetro, radiômetro, boia de nível e sensor de umidade relativa e temperatura do ar. Destes sensores, aqueles que apresentam uma saída de sinal analógico, como o radiômetro, o sensor de direção do vento, o pluviômetro, são ligados à uma entrada analógica do microcontrolador. Os demais apresentam saída de sinal digital e são ligados a entradas digitais do microcontrolador. O arranjo destes sensores pode ser visualizado na figura 2, e estes sensores são ligados direta ou indiretamente aos pinos do microcontrolador. A faixa de leitura do canal AD do microcontrolador é de 0 a 5 Volts. Aqueles sensores que não apresentem uma saída analógica com faixa parecida são ligados primeiramente a um circuito de condicionamento de sinais É o caso do sensor de radiação solar, que é ligado à um amplificador de instrumentação cujo circuito eletrônico está representado na figura 11. Abaixo segue uma descrição de cada um dos sensores utilizados neste exemplo 1.1.1 - Sensor de temperatura e de umidade relativa do ar [0071] O sensor de temperatura e umidade relativa do ar a ser utilizado é o SHT71, que apresenta acurácia de 0,5° C e ±3,5%RH, tem sua saída em comunicação serial semelhante ao protocolo I2C e resolução de 14 bits para temperatura e 12 bits para a umidade relativa.

[0072] O SHT71 é um módulo sensor de umidade relativa e de temperatura em um único chip contendo uma saída digital calibrada [0073] O sensor inclui um elemento sensor de polímero capacitivo para a umidade relativa e um sensor tipo bandgap para a temperatura.

[0074] Para iniciar a comunicação com o sensor, inicialmente é necessário levar ao nível baixo (0V) o pino de dados (DATA) enquanto o pino de clock (SCK) está em nível alto (5V). Em seguida, deve-se dar um pulso de nível baixo no clock e tornar a levá-lo ao nível alto, e então retornar o pino de data ao nível alto.

[0075] O frame de comunicação consiste de três bits de endereço e cinco bits de comando, conforme tabela contida na folha de dados do sensor O SHT71 indica o recebimento do comando levando o pino de dados ao nível baixo, após o oitavo pulso de clock. Os dados são transmitidos em dois bytes e um CRC de um byte é enviado em seguida.

[0076] Este sensor foi instalado em um tubo lateral na caixa de controle de modo a receber o ar externo e evitar que o mesmo recebesse diretamente a luz solar e a água da chuva. A figura 5 mostra o arranjo escolhido para a instalação do mesmo, onde: (41) SHT71; (42) Quadro de Comando; (43) Tubo de proteção; (44) Flange. Na figura 13 - item (1) é possível visualizar o símbolo eletrônico do SHT71 e a identificação dos terminais de ligação na placa de controle. 1.1.2- Sensor de temperatura da água [0077] É utilizado o sensor de temperatura TC74, da Microchip Technology Inc., que apresenta uma faixa de leitura de 0o C até 125° C, para leitura da temperatura da água do tanque principal. Este sensor apresenta resolução de 1o C e tem sua saída em formato serial I2C e digitalização de 8 bits. Sua taxa de amostragem é de 8 Hz, segundo a folha de dados do fabricante.

[0078] O protocolo de comunicação I2C usa um START bit, gerado por um pulso no pino de dados enquanto o pino de clock está no nível alto. Logo após o start bit o microcontrolador deve enviar o endereço do sensor de temperatura na rede I2C, através de 7 bits. Este endereço vem gravado de fábrica no sensor. Após o envio do endereço do sensor na rede, apenas o sensor com o endereço responde aos comandos do microcontrolador. O comando de leitura da temperatura do sensor retorna um valor em complemento de 2.

[0079] Conforme a figura 6, o TC74 (50) é instalado na lateral do tanque principal (51) por meio de um parafuso passante (52), a uma profundidade de aproximadamente 12,5 cm da borda do tanque. Para uso de parafuso de fixação, faz-se necessário o uso do sensor TC74 com encapsulamento TO-220 [0080] Para proteção do sensor de temperatura contra a corrosão provocada pela água do tanque (53), foi utilizada resina epóxi para encapsular o mesmo.

[0081] Na figura 13 - item (2) é possível visualizar o símbolo eletrônico do TC74 e a identificação dos terminais de ligação na placa de controle. 1.1.3- Sensor de velocidade e direção do vento [0082] Para a medida da velocidade e direção do vento optou-se por utilizar um modelo comercial, 7911 da marca Davis. O equipamento apresenta como principais características: resolução de 16 pontos (22,5°) com acurácia de ±7° para direção do vento e saída deste sinal de 20 kohms em fundo de escala: faixa de 5 a 282 km/h com acurácia de ±5% para velocidade do vento e saída deste sinal em chaveamento para o terminal terra. Na figura 13 - itens (5) e (6) é possível visualizar o símbolo eletrônico dos sensores de velocidade e direção do vento, respectivamente, e a identificação dos terminais de ligação na placa de controle. 1.1.4- Sensor de nível d'áqua [0083] Na figura 3 podemos ver o arranjo construtivo do sensor de nível capacitivo desenvolvido, onde: (21) caixa plástica de proteção da placa de circuito: (22) Furo(s) de saída de ar; (23) tubo de aço inox; (24) tubo de PVC protetor e tranquilizador; (25) filtro de esponja; (26) fio de cobre isolado; (27) base de sustentação; e (28) parafusos de nivelamento. Foi desenvolvido para o sistema de aquisição de dados um sensor de nível capacitivo utilizando (26) um fio de cobre 1,5 mm com camada externa de PVC como elemento sensor. Este fio foi colocado dobrado em (23) um tubo de aço inox com diâmetro de 10 mm e este, por sua vez, em (24) um tubo de PVC de 40 mm, que funciona como um tanque tranquilizador; de modo que eles fiquem mergulhados na água do tanque. Conforme o nível de água do tanque varia, a constante dielétrica do capacitor formado pelo fio e as paredes do tubo de aço inox também varia, alterando a capacitância do capacitor tubo-fio.

[0084] Esse capacitor, ligado a um circuito oscilador (figura 12), determina a frequência de oscilação conforme o nível de água do tanque Este circuito oscilador utilizando o circuito integrado NE555 é ligado na configuração de oscilador astável. O circuito apresenta um sinal de saída em frequência, cujo período é proporcional à capacitância formada pelo tubo em aço inox e o fio de cobre isolado, que por sua vez é diretamente proporcional ao nível de água entre os mesmos. Uma compensação da temperatura da água e sujeira dos elementos do sensor é feito no programa do microcontrolador.

[0085] Sobre o (24) tubo de PVC protetor e tranquilizador é fixada (21) uma caixa plástica de proteção da placa de circuito (figura 12).

[0086] Logo abaixo da caixa plástica de proteção (21) é preferivelmente efetuado um pequeno furo (22) para saída do ar aprisionado no interior de (23) e (24).

[0087] Na parte inferior de (24) é instalado um (25) filtro de esponja para evitar que partículas em suspensão na água venham a entrar em contato com os elementos sensores e acabem alterando a calibração do sensor em menor tempo.

[0088] Também é instalado na parte inferior de (24) uma (27) base de sustentação em chapa de aço inoxidável 5 mm com diâmetro suficiente para estabilizar o sensor no fundo do tanque, com a ajuda de (28) parafusos de nivelamento. 1.1.5 - Pluviômetro [0089] Para desenvolvimento do pluviômetro, conforme figura 4, foi utilizado um tubo de PVC (31) com um fundo fechado (35) por um tampão de PVC. No fundo, foi instalado um flange (36) e um tubo (34) de PVC. Na outra extremidade do tubo foi instalado um sensor de pressão (32) da marca Motorola modelo MPXV5004G cuja escala de leitura varia entre 0 a 3,92 kPa e apresenta saída em tensão em uma faixa de 1,0V a 4,5V. Deste modo, é possível dispensar o uso de circuito de condicionamento de sinal para este sensor e liga-lo diretamente a um pino de entrada do microcontrolador. Na parte inferior do pluviômetro está uma bomba d’água (38), ligada por uma derivação do tubo de PVC (37) ao conteúdo de água do pluviômetro, proporcionando o controle do nível da água do pluviômetro (40) quando em excesso. Outro tubo de PVC (39) evita que a água do pluviômetro se esgote por efeito sifão e/ou pela ação da gravidade.

[0090] Notadamente, certa quantidade de ar fica aprisionada entre o nível de água (33) no tubo de PVC e o sensor MPXV5004G, de modo a evitar que a água danifique o mesmo.

[0091] Dessa forma, o circuito de controle pode ler o nível do pluviômetro em tempos pré-ajustados para determinar o índice pluviométrico e, quando necessário, comanda o esvaziamento do mesmo.

[0092] Na figura 13 - item (8) é possível visualizar o símbolo eletrônico do MPXV5004G e a identificação dos terminais de ligação na placa de controle. 1.1.6 - Radiômetro [0093] Para a leitura da radiação solar, utilizou-se um Piranômetro do tipo voltaico, o sensor LI-200 fabricado pela LICOR Biosciences Incorporation, instalado junto ao quadro de comando, com uma altura e nível que não permite o sombreamento de pessoas próximas ao equipamento e outras partes do quadro. Neste tipo de dispositivo, a parte sensitiva é uma célula fotovoltaica com os seus terminais em curto circuito por intermédio de um shunt. Este conjunto está encapsulado em um invólucro plástico para resistir às intempéries. Para instalação do sensor nivelado, existe fixado em seu suporte metálico uma bolha de nível, e três parafusos de fixação para um ajuste fino.

[0094] O sinal de saída elétrico deste sensor necessita de circuito de condicionamento de sinal para atingir valores da ordem de 5 volts e, desta maneira, ser interligado a uma entrada do conversor AD do microcontrolador. Como o sinal de saída do sensor é da ordem de 82,40 uA por 1000 Watts m‘2, desenvolveu-se um circuito de condicionamento de sinal com ganho da ordem de 470 vezes, conforme a figura 11, para esta finalidade. 1.1.7 - Sensor de nível de água do reservatório [0095] Foi utilizada uma chave-boia, do tipo eletromecânico e de contatos reversíveis marca Margirius, modelo CB 2000.

[0096] Esta chave-boia possui contatos para 15A/250VAC, temperatura de utilização de 0o C a 60° C e classe de proteção IP X8.

[0097] Na figura 13 - item (3) é possível visualizar o símbolo eletrônico da chave boia e a identificação dos terminais de ligação na placa de controle. 1.1.8- Sensor de alarme de porta aberta da caixa de controle [0098] Foi utilizado um sensor de proximidade magnético tipo reed-switch marca Metaltex, modelo SM-1001 (reed) e SM-1000 (imã), conforme pode ser visualizado na figura x.

[0099] Este sensor possui distância sensora de 4mm, contato NA de até 10 Watts de comutação/1,2A e vida mecânica de 108 acionamentos.

[0100] Na figura 13 - (4) é possível visualizar o símbolo eletrônico da chave boia e a identificação dos terminais de ligação na placa de controle. 1.1.9- Relógio de tempo real [0101] Para registrar e eventualmente sincronizar os dados coletados da Estação Evaporimétrica, faz-se necessário inserir junto aos dados um valor qualquer que possibilite a indexação dos mesmos, seja para futuras pesquisas ou para cálculos envolvendo grandezas de tempo. Geralmente este valor é tomado da data e/ou hora em que os dados foram coletados. Como os dados são enviados para um microcomputador, é fácil pensar que a data e hora deste possam ser usadas no registro, porém, uma falha na transmissão dos dados resultaria em um erro considerável na data e hora registradas, já que possivelmente havería um atraso entre a coleta dos dados e o armazenamento no microcomputador. Para evitar esses erros possíveis, foi utilizado um RTC (Relógio de Tempo Real) em um Cl modelo DS1307 da marca Dallas Semiconductor. Este RTC possui armazenamento de data (dia, mês, ano, dia da semana) e hora (horas, minutos, segundos). Possui alimentação externa para retenção dos dados e utiliza cristal oscilador de 32.768KHz como base de tempo. Apresenta sua saída com comunicação serial I2C e digitalização de 8 bits.

[0102] O circuito eletrônico do DS1307 foi montado junto a placa de controle, conforme pode ser visualizado na figura 7. 1.1.10- Sensor de tensão da batería [0103] Para medida da tensão da batería foi empregado um circuito em paralelo com a batería utilizada, e utilizando um conjunto divisor de tensão formado por dois resistores de precisão. Este divisor de tensão condiciona o valor da tensão da batería para a medição com um microcontrolador (de 0 a 5V). Um diodo zener de uso geral protege o microcontrolador no caso de inversão de polaridade da batería.

[0104] Na figura 13 - item (7) é possível visualizar o símbolo eletrônico da batería e a identificação dos terminais de ligação na placa de controle. 1.2 - Sistema de armazenamento de dados [0105] Os dados coletados podem ser armazenados através de um dispositivo de memória flash removível (pen-drive), acessado com uso de um controlador host USB de fácil programação, o Vinculum VNC1L, e de um firmware disponíveis no site do fabricante, a FTDI; ou podem ser armazenados através de um dispositivo de memória tipo cartão SD. No caso do pen-drive, o custo de fabricação aumenta, já que é necessário utilizar um controlador dedicado, pois o PIC18F4553 não funciona como um host USB. Porém, a praticidade de uso de um pen-drive, sem a necessidade de inserção de código de programação complicado no PIC e o crescente uso destes no mercado mundial torna a solução viável. Já o cartão SD tem um menor custo de projeto, porém todo o controle do sistema de arquivos tem de ser programado previamente no PIC. 1.3 - IHM - Interface Homem-Máquina [0106] Para que o usuário possa visualizar os dados de temperatura e umidade do ar, velocidade do vento, direção do vento, radiação solar, nível do tanque e precipitação, é utilizado um display de LCD de 20 colunas e quatro linhas em modo texto.

[0107] Para selecionar quais dados são mostrados ao usuário, usa-se um teclado numérico de 12 teclas ligado diretamente ao microcontrolador instalado na placa de controle. A figura 7 mostra o display LCD, assim como o teclado, separadamente.

[0108] Para escrita no LCD os pinos 0 a 3 da porta D do microcontrolador são configurados como saída, enquanto o pino 2 da porta C do microcontrolador é configurada como saída e levada ao nível alto, habilitando assim a leitura dos dados transmitidos para o LCD.

[0109] Já para a leitura do teclado, os pinos 0 a 3 da porta D do microcontrolador são configurado também como saída, os pinos de 4 a 7 da porta D são configurados como entrada e o pino 2 da porta C é levado ao nível baixo. 1.4- Sistema de controle [0110] O processo de controle de água do tanque classe A do presente exemplo é do tipo On/Off, mantendo o nível dentro do limite de 25 mm de variação e a no máximo 75 mm da borda do tanque principal. No caso de evaporação de água, a água necessária para completar o nível será retirada de um tanque secundário com iguais dimensões e que está instalado próximo ao tanque principal. Para isso, são utilizadas duas bombas hidráulicas, instaladas apropriadamente nos tanques. A bomba d'água do tanque reserva, através do programa que-controla o acionamento das bombas, faz a reposição do volume d'água evaporado do tanque principal, sempre que o nível medido pelo sensor for igual ou inferior ao parâmetro de nível mínimo estabelecido, até que o nível atinja aproximadamente 62,5 mm da borda. Já a bomba d’água do tanque principal é acionada, quando houver precipitação, sempre que o nível medido pelo sensor for maior ou igual ao parâmetro de nível máximo estabelecido, fazendo com que a água em excesso retorne ao tanque reserva, evitando também o desperdício de água. O tanque secundário possui uma boia que será acionada, alertando para a reposição de água neste tanque sempre que o seu nível de água estiver abaixo de um terço do volume máximo.

[0111] Para fazer o controle do nível, da IHM, das bombas do tanque principal, do pluviômetro e do sistema de aquisição e da transmissão utiliza-se um microcontrolador de alta desempenho de 16 bits da Microchip®, o PIC18F4553. O PIC18F4553 é um microcontrolador para em encapsulamento TQFP de 44 pinos, 128 kilobytes de memória de programa em Flash e 8 kilobytes de memória RAM.

[0112] O PIC18F4553 é um microcontrolador vendido em encapsulamento TQFP de 44 pinos e apresenta as seguintes características: ■ Baixo consumo em operação normal e modos de economia de energia como: parada e espera; ■ Alimentação flexível de 2,0 até 5,5 V; ■ Barramento interno operando até 48 MHz, e USB até 96 MHz; ■ Clock de referência por circuito RC, interno ou por oscilador a cristal e PLL (Phase Locked Loop); ■ Senha de segurança para a programação; ■ 256 Bytes de memória EEPROM; ■ 2048 Bytes de memória RAM; ■ 32 KBytes de memória Flash; ■ 4 canais de módulo de timer (temporizador) de até16bits; ■ 13 canais de ADC (Conversor Analógico-Digital) 12 bits; ■ 3 canais de interrupção externa; ■ 10 canais de driver para LEDs (diodo emissor de luz); ■ 2 canais de corrente até 25mA TTL; ■ 2 canais PWM (Modulação por largura de pulso); ■ Modulo de comunicação MSSP (Master Synchronous Serial Port) com I2C; ■ Módulo de comunicação USB device 2.0 Full Speed (12MBp/s).

[0113] Estas características fazem do PIC18F4553 um microcontrolador muito versátil e prático para emprego em circuitos microcontrolados de pequeno porte.

[0114] Com os materiais e componentes eletrônicos definidos, foi montado o circuito da estação remota conforme mostrado na figura 7. Neste circuito podemos ver a utilização do circuito integrado CD4094. Este circuito integrado é um Shift Register/Latch de 8 bits com três estados de saída. O CD4094 é usado neste exemplo para aumentar o número de saídas digitais disponíveis para futuros melhoramentos na Estação Evaporimétrica.

[0115] Nesta mesma figura, podemos ver a presença de um conector USB ligado diretamente ao PIC. O PIC18F4553 é um controlador device USB capaz de controlar uma porta USB usando o hardware interno ou externo, bastando para isso um pequeno número de componentes adicionais, como podemos ver na figura 7. Esse conector USB é utilizado para ligar diretamente a placa principal a um microcomputador. Dessa forma é possível verificar os dados dos sensores e alterar os parâmetros de funcionamento, se necessário.

[0116] Também podemos ver um conector serial padrão RS232 (DB9) ligado diretamente ao PIC. Trata-se de uma porta de comunicação UART para conexão em separado de um rádio transmissor ou de um modem GSM Conforme o hardware do rádio ou modem, um circuito integrado conversor UART->RS232 deverá ser utilizado junto à placa dos mesmos.

[0117] Nos conectores J11 a J13 e J18 e J19 é possível ligar até 5 placas de saída para controlar as bombas d’água ou outros dispositivos, como uma lâmpada de sinalização ou iluminação. Este método permite, por exemplo, que manutenções noturnas sejam efetuadas com mais facilidade, já que a iluminação poderá ser ligada antes mesmo de o operador chegar ao local, via rádio. 1.5- Sistema de transmissão e recepção de dados [0118] ZigBee é uma tecnologia global de redes wireless desenvolvida para atender a requisitos específicos como: baixo custo de implementação e baixo consumo de energia, controle e verificação de erros, baixa taxa de transmissão de dados, capacidade de roteamento dos dados, e alta imunidade às interferências. O padrão se beneficia da especificação para rádio frequência IEEE 802.15.4 e opera em bandas que não requerem licença no mundo todo para transmissão de dados nas frequências de 2.400 a 2.484GHz, 902 a 928MHz e 868.0 a 868.6MHz. A frequência elevada torna a rede praticamente imune às interferências.

[0119] Para transmissão dos dados coletados do sistema de aquisição, o microcontrolador envia os mesmos utilizando caracteres ASCII em um frame com comprimento variável. O início do frame é marcado por um caractere de "start" e o fim por outro caractere. Desta maneira é possível estabelecer o sincronismo dos dados. Juntamente com os dados é enviado um CRC para facilitar a identificação de erros de comunicação.

[0120] Para a transmissão foi desenvolvido uma placa contendo rádio transmissor/receptor ligado à porta UART da placa de controle da estação remota, conforme figura 14.

[0121] Para a recepção, foi desenvolvido um sistema constituído de um modem receptor ligado à porta serial (RS232) de um microcomputador, igualmente conforme figura 14. Através de um cabo de comunicação serial, o microcomputador será capaz de armazenar os dados para tratamento em tempo real ou enviar parâmetros de funcionamento para a estação remota.

[0122] O modem receptor é alimentado por uma fonte externa de 220 Volts e, caso o microcomputador possua somente porta de comunicação USB, poderá ser utilizado um cabo de conversão serial-USB.

[0123] Uma estação repetidora foi desenvolvida para, nos casos em que é necessário aumentar o alcance de comunicação, os dados recebidos sejam retransmitidos de modo transparente, através de rádio transmissor-receptor, batería 12 VDC e circuitos reguladores de tensão para fornecimento de energia.

[0124] Na estação base, os valores das medidas enviadas pela estação remota serão armazenados em um arquivo texto, e cada medida é separada por vírgula. 1.6 - Unidade de Energia [0125] Para alimentação dos diversos componentes da placa principal da estação remota, é possível utilizar uma fonte de alimentação chaveada, com entrada em 220VAC e saída em 12V DC. Esta fonte deve acompanhar um carregador de baterias tipo flutuador, e comutar automaticamente para a alimentação por batería no caso de falta de energia da rede. O carregador provê a carga de uma batería chumbo-ácido, 12V/7A. Quando da falta de energia da fonte, a batería deve ser capaz de alimentar os componentes da placa por um período de até 64 horas. Alternativamente, quando a instalação de rede elétrica 220V AC não for possível, um painel de energia solar pode ser facilmente instalado, garantindo a carga da batería e alimentando os componentes da Placa Principal. Neste caso, além do painel solar propriamente dito, é necessária a instalação de um controlador de carga com carregador flutuador/comutador de pelo menos 10 ampères. As duas soluções possíveis são ilustradas na figura 16, onde: (60) Reguladores de tensão de 5V e 3,3V para os circuitos da placa principal e/ou estação repetidora; (61) Controlador de carga para painel solar; e (62) Fonte de alimentação chaveada com carregador flutuador de baterias. 2 - Estações Remota, Repetidora e Base [0126] Para efeito de localidade, podemos subdividir o invento em três partes constituintes: estação base, estação repetidora e estação-remota 2.1 - Estação Remota [0127] A Estação Remota é descrita no item 2.

[0128] Do quadro de comando, destacam-se: 1- Teclado 12 teclas; 2- Display de cristal líquido; 3- Pen-drive; 4- Rádio transmissor XBee-Pro; 5- Soquete para ligação da placa adaptadora do microcontrolador PIC18F4553; 6- Entradas analógicas; 7- Entradas digitais; 8- Reguladores de tensão; 9- Saídas digitais à relé; 10- Soquete e placa adaptadora do controlador host USB VNC1L.

[0129] Na figura 3 é apresentado o circuito elétrico simplificado da placa principal da Estação Remota. 2.2 - Estação Repetidora [0130] A estação repetidora tem a finalidade de aumentar o alcance dos sinais transmitidos pelas estações remota e base. Pode ser suprimida quando a comunicação entre as duas estações não apresentar falhas nas transmissões. Um número ilimitado de estações repetidoras pode ser utilizado. 2.3 - Estação Base [0131] A estação base estabelece o laço de comunicação entre o microcomputador e a estação remota/ repetidora. É formada basicamente por uma fonte de alimentação, reguladores de tensão e um modem ZIGBEE com porta serial.

[0132] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outros variantes, abrangidos no escopo das reivindicações anexas Reivindicações Aparato e Método Evaporimétrico Automatizado para Tanques de Irrigação Classe A

Claims (16)

1. Aparato evaporimétrico automatizado para tanques de irrigação classe caracterizado por compreender: a) meios para comunicação com um computador; b) meios para adquirir dados pertencentes ao grupo que compreende nível de água, temperatura da água, velocidade e direção do vento, quantidade de chuvas, radiação solar, temperatura do ar, umidade do ar, e combinações dos mesmos; c) meios para processar e monitorar constantemente os dados obtidos na etapa (b); d) interface homem-máquina; e e) meios para manipular parâmetros do referido tanque em função dos referidos dados obtidos e processados.

2. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por adicionalmente compreender meios para armazenamento e leitura dos dados em mídias removíveis.

3. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por ser capaz de se comunicar com um computador por quaisquer meios que possibilitem tal comunicação.

4. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela comunicação entre computador e o aparato ocorrer por interface sem fio.

5. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pela interface de comunicação entre aparato e computador compreender a interface wi-fi Zig Bee

6. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 5, caracterizado por compreender adicionalmente estações repetidoras de sinal sem fio para comunicação com um computador a longas distâncias.

7. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 6, caracterizado pelos seus componentes estarem compreendidos em um quadro de comando.

8. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com as reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo quadro de comando compreender classe de proteção IP67 ou superior.

9. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com qualquer reivindicação de 1 a 8, caracterizado pelos meios para adquirir dados na etapa (b) compreenderem sensores pertencentes ao grupo que compreende sensor de temperatura e umidade do ar, sensor de temperatura de água, anemômetro, sensor de nível de água capacitivo, pluviômetro, radiômetro, e combinações dos mesmos.

10. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com as reivindicações de 1 a 9, caracterizado por um ou mais sensores usados na etapa (b) compreenderem sensores comerciais inclusos no grupo que compreende sensor de temperatura e umidade relativa do ar SHT71; sensor de temperatura LM35; anemômetros; pluviômetros comerciais; e combinações dos mesmos.

11. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com as reivindicações de 1 a 10, caracterizado pelo processamento e monitoramento dos dados ocorrerem através de um ou mais processadores e/ou microcontroladores.

12. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com as reivindicações de 1 a 11, caracterizado pelos meios para processar e monitorar dados compreenderem o uso de um microcontrolador.

13. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com as reivindicações de 1 a 12, caracterizado pelo referido microcontrolador compreender um dsPIC33FJ128GP804 da Microchip®.

14. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com as reivindicação de 1 a 13, caracterizado pelos parâmetros do referido tanque manipulados na etapa (e) compreenderem a faixa de variação do nível de água no tanque.

15. Aparato evaporimétrico automatizado, de acordo com as reivindicações de 1 a 14, caracterizado pelo referido nível de água ser controlado com o auxílio de atuadores e/ou um tanque reserva conectado ao mesmo.

16. Método de automatização de tanques de irrigação classe A caracterizado por compreender as etapas de: a) Transmitir e receber dados de um microcomputador em tempo real; b) adquirir dados pertencentes ao grupo que compreende nível de água, temperatura da água, velocidade e direção do vento, quantidade de chuvas, radiação solar, temperatura do ar, umidade do ar, e combinações dos mesmos; c) processar e monitorar constantemente os dados da etapa (b); d) informar tais dados para um usuário, quando necessário, através da Interface Homem-Máquina (IHM) formada por uma tela, teclado e sonorizador; ee) manipular parâmetros do referido tanque em função dos referidos dados obtidos e processados.