Este sensor mede indiretamente a umidade do solo baseado na condutividade térmica do material do sensor, que muda proporcionalmente com a quantidade de água presente, no seu entorno, absorvida pelo material poroso que reveste o sensor. A medição é realizada apli- cando um pulso de calor no solo através de VCE e medindo a tensão da junção base-emissor (VBE) do transistor que muda em função da temperatura. A Equação 11 descrita por [39] é utilizada para calcular VBE em função da temperatura.
[ (
) ] [ ( )] Equação 11 onde Vg0 é a tensão de bandgap do silício extrapolada para 0 K (~ 1171 mV), k é a constante de Boltzmann, q é a carga do elétron, é um parâmetro dependente do processo de fabricação
(tipicamente ~ 3,54), Tr é a temperatura de referência, VBE (Tr) é a tensão base-emissor do transistor na temperatura de referência Tr e m=0 para corrente de coletor constante. O primei- ro termos da Equação 11 é uma tensão CTAT (Complementar à Temperatura Absoluta) que tem uma sensibilidade de temperatura dada por:
[ (
) ] Equação 12
onde, para um VBE que tem um valor típico de 570 mV, resulta em uma sensibilidade de tem- peratura de -2 mV/K para um Tr de 273,5K.
O segundo termo da Equação 11 tem uma resposta não linear em função da temperatu- ra. O estudo realizado por [21] mostrou que o erro máximo causado por este termo foi de ±1,25µV para uma variação de temperatura de ±5K em torno de 296 ºC. Mostrando que este erro é muito pequeno e pode ser desprezado pois representa 2ppm de VBE.
Outra maneira de expressar a Equação 11 é pela soma de um termo constante, um ter- mo proporcional à temperatura (PTAT) e um termo de ordem superior, de tal forma que os termos lineares representem a tangente da curva VBE(T) para T = Tr (Figura 17).
Figura 17 - Curva de VBE em função de T [39].
Então, da Equação 11 obtêm-se a Equação 13 [39]. [ ] [ ( )] Equação 13 onde Equação 14
Desprezando o termo de ordem superior da Equação 13 e considerando m=0 ( para corrente Ic constante), tem-se:
[ ] Equação 15
esta aproximação é utilizada para calcular a temperatura do sensor neste trabalho.
Antes que o transistor seja encapsulado no bloco poroso, o valor de VBE do transistor é medido, em uma temperatura conhecida Tr, em duas situações: com IC = 100 µA e IC = 10 mA. Estes valores medidos do VBE são usados para calcular os valores do λ dos transistores nessas duas situações, de modo que permite facilmente calcular a temperatura do sensor antes da aplicação do pulso de calor (com IC = 100 µA) e durante a aplicação do pulso de calor (com IC = 10 mA), simplesmente medindo os valores de VBE durante estas fases de medição.
Se um pulso de calor de duração de tf
- t
0 é aplicado a um sensor SHPP, a variação damudança de temperatura ∆T = Tf −T0 pode ser aproximada por [41]:
ln (t
f0
)
Equação 16
onde T0 e Tf são a temperatura inicial e final medidas em tempos tf
e t
0, q é a entrada de calorpor unidade de comprimento do aquecedor (W.m− 1) e k é a condutividade térmica do solo (W m−1 ◦C −1 ). Normalmente, o transiente inicial de temperatura que ocorre imediatamente após o pulso de calor ser aplicado é descartado, e a temperatura é medida somente após t0, que é de
5 PROJETO DO NOVO SISTEMA DE IRRIGAÇÃO
O sistema de irrigação, autônomo e distribuído, desenvolvido neste trabalho, é respon- sável por monitorar e controlar apenas a região ao seu entorno. Os dois módulos que com- põem a arquitetura do sistema, conforme apresentada na Figura 12, foram subdivididos em blocos menores para apresentar os detalhes da solução completa em diagrama de blocos. Des- ta forma, a Figura 18 apresenta o módulo de captação e geração de energia (em amarelo) e o módulo de gerenciamento, controle e armazenamento de energia (na cor branca) com seus respectivos blocos.
Figura 18 - Diagrama de bloco detalhado do sistema completo
A função de conversão de energia mecânica cinética em energia elétrica, proporcional ao fluxo de água, é realizada pelos dois blocos que integram o módulo de captação e geração de energia representado em amarelo na Figura 18, sendo o primeiro responsável pelo acopla- mento mecânico do movimento rotacional do microaspersor ao eixo do microgerador e o ou-
tro responsável pela transdução da energia mecânica em elétrica utilizando um microgerador DC.
Conforme mencionado, o objetivo do módulo de gerenciamento, controle e armaze- namento de energia, é armazenar a energia gerada pelo microgerador em capacitores e super- capacitores, gerar as alimentações nos níveis corretos de operação da eletrônica, medir a umi- dade do solo da plantação antes do período da irrigação e controlar a válvula d'água. Para tal, a energia gerada pelo microgerador é direcionada para um conversor DC-DC, existente no bloco do circuito de gerenciamento de energia, que por sua vez é responsável por elevar esta tensão e armazenar esta energia em capacitores e supercapacitor e gerar as tensões reguladas.
O funcionamento do sistema de irrigação proposto é o seguinte:
O sistema é instalado com as válvulas abertas. Quando a bomba de irrigação é ligada pela primeira vez, a água flui através do microaspersor e uma tensão DC é gerada pelo micro- gerador acoplado ao microaspersor do sistema de irrigação.
Ao detectar a presença do nível DC gerado pelo microgerador durante a irrigação, o microcontrolador liga SW1 e faz uma medição de umidade utilizando o sensor SHPP desen- volvido e apresentado no item 5.2. Depois compara o valor de umidade medido com um valor de referência, caso o valor de umidade esteja abaixo de um valor limite preestabelecido, a válvula d'água é deixada aberta pelo tempo previamente armazenado em uma tabela de con- sulta existente no microcontrolador, que indica a quantidade de tempo de irrigação necessária em função da umidade presente no solo. Caso contrário, a válvula é deixada aberta por cerca de 3 minutos, tempo que o sistema de energy harvesting necessita para carregar seus superca- pacitores e, em seguida, o microcontrolador envia um pulso para a válvula d'água do tipo
latch, fechando-a durante o período da irrigação (no qual o agricultor liga a moto bomba), e
abrindo-a algumas horas depois (após desligada a moto bomba) para a próxima irriga- ção/medição que será realizada apenas no dia seguinte. Vale ressaltar que o comando de fe- chamento/abertura da válvula é feito pelo microcontrolador através de pulsos lógicos enviados para o circuito de driver da válvula.
Após finalizada esta operação, o sistema entra em modo sleep para economizar energia e operar apenas na próxima irrigação que será realizada no outro dia. Observa-se que o circui- to de interrogação do sensor e do próprio sensor é alimentado, através da chave SW1, apenas durante o período necessário para a medição da umidade. Já, o microcontrolador fica constan- temente alimentado pelo regulador LDO ADP160.
Um diagrama da localização do sensor de umidade e da válvula d'água dentro da rede de irrigação por microaspersor, em um campo de cultivo, é mostrado na Figura 19. Neste
exemplo de aplicação, a irrigação de duas parcelas de solo é controlada por dois sensores e duas válvulas.
Figura 19 - Diagrama de instalação do dispositivo no campo [13]