Sensor de umidade do solo com Arduino – Higrômetro

Neste tutorial daremos o primeiro passo para desenvolver um sistema inteligente voltado para o monitoramento e controle das variáveis existentes em uma plantação. Começaremos aprendendo como usar o sensor de umidade do solo, também chamado de Higrômetro, em conjunto com um Arduino Nano.

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Sistemas automáticos na Agricultura

Plantas precisam de um solo de boa qualidade para crescerem de forma saudável e com qualidade, porém, existem vários tipos de situações ambientais que dificultam o seu crescimento, sendo algumas delas:

• Irradiação solar excessiva;
• Falta de nutrientes no solo;
• Solo com baixa umidade;
• Pragas;
• Entre outros.

Todas as situações descritas anteriormente podem gerar prejuízo. Por este motivo, faz-se necessária a utilização de, sistemas automáticos os quais vêm sendo cada vez mais explorados que auxiliem o agricultor no monitoramento de seus cultivos visando obter uma eficiência cada vez maior e consequentemente a redução da ocorrência de situações indesejadas

Sensor umidade do solo – Higrômetro

Neste tutorial, iremos utilizar o sensor de umidade do solo, para aferir a condutividade do solo através de uma haste com dois eletrodos existentes no mesmo. O princípio de funcionamento deste circuito é bem simples, pois, resume-se ao fato de que, através da aplicação de uma determinada corrente X nos eletrodos citados, é possível estimar o quão úmido ou seco o solo estará em virtude da condutividade do solo em ambos os casos. Basicamente, quando o solo estiver úmido, teremos uma condutividade melhor devido a absorção da água e isso resultará em um fluxo maior de corrente entre os dois eletrodos. Entretanto se o solo estiver seco, teremos pouca ou até nenhuma corrente entre os eletrodos.

O sensor é composto basicamente duas hastes que ficaram presas ao solo que iremos monitorar e um circuito comparador que irá nos retornar o nível de condutividade do solo. Este circuito é composto por um total de 6 pinos, sendo dois destes utilizados para conectar a haste de metal ao circuito de comparação. As outras 4 entradas possuem as funções de alimentar o circuito e retornar o nível de umidade do solo.

A determinação do nível de umidade do solo pode ser feita de duas formas, sendo elas:

• Um sinal digital que basicamente informa se o solo está seco ou não ( Menor precisão, porém não depende de um circuito ADC )
• Um sinal analógico que pode ser utilizado para estimar o quão úmido o solo está ( Maior precisão, porém dependerá de um circuito ADC )

Especificações do dispositivo

• Tensão de Operação: 3,3-5v
• Sensibilidade ajustável via potenciômetro
• Saída Digital TTL (D0) e Analógica(A0)
• Led indicador de detecção de umidade

Mãos à Obra – Medindo a umidade do solo utilizando o Arduino – Higrômetro

Componentes utilizados

• 1x Arduino Nano
• 1x Sensor de umidade do solo Higrômetro
• 1x Fios

Montando o projeto

Nesta primeira parte do tutorial, iremos apenas conectar o sensor de umidade, desta forma,  iremos utilizar o seguinte esquema de ligação:

A montagem final do nosso sistema deve ser semelhante ao modelo abaixo

Veja só como ficou o nosso sistema inicial.

Antes de ligar o seu circuito, verifique se todas as conexões foram feitas corretamente. Um curto circuito causado por uma ligação errada pode danificar todo o seu projeto.

Programando

Com a parte física do nosso projeto montada, iremos agora partir para a parte de codificação do sistema. Nesta primeira versão não iremos utilizar nenhuma biblioteca em especial, porém iremos utilizar funções para leitura de dados analógicos e também iremos construir o nosso sistema de leituras de uma forma um pouco diferente como pode ser visto no código abaixo:

/* Nome: Sistema de aferição de umidade de solo - Higrômetro
 * Feito por: Danilo Almeida
 * Data: 7/11/2017
 */
#define sensorUmidade A0 // Sensor de umidade de solo do módulo
unsigned long tempoAnterior = 0; // Variável utilizada para guardar o tempo anterior
unsigned long intervalo = 1000; // Intervalo de tempo em MS para cada leituraa
void setup() {
  Serial.begin(9600); // Inicialização da comunicação serial

}
void loop() {
  unsigned long tempoAtual = millis(); // Realizamos a leitura atual do tempo em que o nosso Arduino Nano está ligado
  if (tempoAtual-tempoAnterior > intervalo){ // Pequena lógica para realizar leituras temporizadas sem parar o microcontrolador
      tempoAnterior =tempoAtual; // Guardamos o tempo anterior como o ultimo intervalo de tempo lido
      int leitura = analogRead(sensorUmidade); // Leitura dos dados analógicos vindos do sensor de umidade de solo

      if (leitura<=1023 && leitura>=682){ // Se a leitura feita for um valor entre 1023 e 682 podemos definir que o solo está com uma baixa condutividade, logo a planta deve ser regada
        Serial.println("Nível de Umidade Baixo");
      }else{
        if (leitura<=681 && leitura>=341){ // Se a leitura feita for um valor entre 681 e 341 podemos definir que o solo está com um nível médio de umidade, logo dependendo da planta pode ou não ser vantajoso regar
        Serial.println("Nível de Umidade Médio");
        }
        else{
          if (leitura<=340 && leitura>=0){ // Se a leitura feita for um valor entre 0 e 340 podemos definir que o solo está com um nível aceitável de umidade, logo talvez não seja interessante regar neste momento
            Serial.println("Nível de Umidade Alto");
          }
        } 
      }
  }
}

Entendendo a Fundo

Software

– Definições e variáveis utilizadas no projeto

Inicialmente definimos todas as variáveis que iremos utilizar tanto para controlar as leituras que serão efetuadas quanto para realizar a leitura da entrada analógica do  sistema. Neste trecho de código definimos as variáveis  intervalo, tempoAnterior e criamos uma definição para o pino A0 do Arduino com o nome de sensorUmidade.

#define sensorUmidade A0 // Sensor de umidade de solo do módulo
unsigned long tempoAnterior = 0; // Variável utilizada para guardar o tempo anterior
unsigned long intervalo = 1000; // Intervalo de tempo em MS para cada leitura

– Função Setup – Inicialização da comunicação serial

Nesta primeira versão, iremos apenas verificar o nível de umidade do solo e com base nesta medição informar se o solo está úmido ou não. Para isso iremos utilizar a comunicação serial. Logo neste trecho de código basicamente inicializamos a comunicação serial do nosso Arduino.

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Inicialização da comunicação serial

}

– Função Loop – Usando a função millis para contar o tempo

Nossa função loop tem como objetivo realizar o processo de leitura dentro de cada  intervalo de tempo definido na variável intervalo, porém diferente de como fazemos na maioria das implementações, não iremos utilizar o comando delay para sincronizar cada leitura realizada. Isso ocorre pois o comando  delay “congela” o microcontrolador o impedindo de executar outras ações, como por exemplo ler um outro sensor, ou receber dados da porta serial. Com isso neste projeto iremos utilizar a função millis para sincronizar as leituras e não “congelar”o microcontrolador, possibilitando assim com que ele faça outras tarefas enquanto aguarda o tempo de realizar uma nova leitura.

O processo de sincronizar a leitura de forma não bloqueante é feito de uma maneira bem simples:

1. Inicialmente armazenamos o tempo atual ( que é retornado pela função millis ).

     unsigned long tempoAtual = millis(); // Realizamos a leitura atual do tempo em que o nosso Arduino Nano está ligado
   

2. Com o tempo atual do microcontrolador armazenado, iremos agora realizar uma operação de subtração entre o tempo atual lido e o último tempo que armazenamos.

   if (tempoAtual-tempoAnterior > intervalo)

3. Se a subtração entre o tempo atual do microcontrolador e o último tempo armazenado for maior que o intervalo de tempo para cada leitura, significa que já  é hora de realizar a leitura desejada, porém antes devo atualizar o meu tempo anterior já que realizei uma leitura.

   tempoAnterior =tempoAtual; // Guardamos o tempo anterior como o ultimo intervalo de tempo lido
   

4.  Recomeçamos o processo no passo 1

– Leitura do nosso medidor de umidade de solo

Agora iremos realizar a leitura do nosso sensor de umidade de solo através da porta A0, esta leitura é feita através da função analogRead como mostra o código abaixo:

      int leitura = analogRead(sensorUmidade); // Leitura dos dados analógicos vindos do sensor de umidade

Esta função basicamente retorna um valor numérico entre 0 e 1023, que representa o valor tem Volts lido do sensor de umidade. O valor está entre 0 e 1023 devido a resolução do circuito ADC que já vem integrado ao Arduíno, se você precisar de uma resolução maior, pode também utilizar circuitos ADC’s dedicados.

– Tomada de decisão baseada no valor medido pelo sensor de umidade

Já por fim ( porém não menos importante ), iremos mostrar através da porta serial, em qual intervalo de valores a sua leitura está contida. Para isso, basicamente dividimos o valor da resolução máxima do circuito ADC do Arduino 1024 valores por três, o que resulta em três estados chamados: umidade baixa, umidade média, umidade alta.

      if (leitura<=1023 && leitura>=682){ // Se a leitura feita for um valor entre 1023 e 682 podemos definir que o solo está com uma baixa condutividade, logo a planta deve ser regada
        Serial.println("Nível de Umidade Baixo");
      }else{
        if (leitura<=681 && leitura>=341){ // Se a leitura feita for um valor entre 681 e 341 podemos definir que o solo está com um nível médio de umidade, logo dependendo da planta pode ou não ser vantajoso regar
        Serial.println("Nível de Umidade Médio");
        }
        else{
          if (leitura<=340 && leitura>=0){ // Se a leitura feita for um valor entre 0 e 340 podemos definir que o solo está com um nível aceitável de umidade, logo talvez não seja interessante regar neste momento
            Serial.println("Nível de Umidade Alto");
          }
        } 
      }

Desafio

Agora que temos o nosso projeto montado e funcionando tente melhorar um pouco o nível de medição do sistema. Divida o valor máximo do conversor ADC por um valor maior que três e crie mais ifs para que você seja capaz de identificar melhor o nível de umidade do solo.

Considerações Finais

Este tutorial teve como objetivo apresentar e ilustrar o funcionamento do sensor de umidade do solo, que por sua vez, tem uma aplicação bastante interessante e importante que é identificar em qual momento uma planta deve ser regada, para que dessa forma ela tenha uma qualidade de vida melhor e seja capaz de produzir e aumentar a qualidade de sua produção. Como dito anteriormente, este projeto será uma série onde iremos construir um sistema de monitoramento em tempo real do solo e do ambiente onde nossa plantação está. Espero que tenham gostado do conteúdo apresentado, sinta-se à vontade para nos dar sugestões, críticas ou elogios. Lembre-se de deixar suas dúvidas nos comentários abaixo.

Danilo Almeida

Formado em Ciência da computação pela UFV-CAF em 2017 e atualmente cursando pós-graduação Stricto Sensu em Ciência da computação pela Universidade Federal de Viçosa, na área de arquitetura de computadores. É um entusiasta na área de sistemas embarcados e robótica.