Universidade Federal de Santa Maria
Ci. e nat., Santa Maria, V. 42, Special Edition, e36, 2020
DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X40639
Received: 10/10/2019 Accepted: 10/10/2019
Special Edition
Sistema de Monitoramento Meteorológico através da Plataforma Arduino
Meteorological Monitoring Systems employing Arduino Platform
Leonardo Da Rosa SchmidtI
Felipe Augusto Lustosa Meireles FreitasII
Silvana MaldanerIII
I Universidade Federal de Santa Maria- Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - leo.rschmidt@gmail.com
II Universidade Federal de Santa Maria- Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil
III Universidade Federal de Santa Maria- Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - silvana.maldaner@ufsm.br
Resumo
As estações meteorológicas automáticas são instrumentos de alto custo operacional. Em função disso, poucos são os locais onde são realizadas medidas atmosféricas em tempo real. Tais medidas podem ser empregadas para a previsão do tempo e clima de uma região, permitindo a tomada de decisões em diversas áreas. Diante da elevada importância das medições meteorológicas e devido ao número reduzido de estações automáticas, neste trabalho propõe-se desenvolver um sistema de coleta de dados atmosféricos de baixo custo utilizando a Plataforma Arduino. No presente estudo elaborou-se um sistema composto por um conjunto de sensores conectados a um microcontrolador Arduino. Velocidade do vento, temperatura, umidade e pressão atmosférica são as variáveis medidas e controlados pelo sistema desenvolvido.
Palavras-chave: Estações meteorológicas; Arduino; Sensores meteorológicos
Abstract
Automatic weather stations are instruments of high operational cost. As a result, there are few places where real-time atmospheric measurements are taken Such measures can be employed to forecast a region's weather and climate, enabling decision-making in a variety of areas.Given the high importance of meteorological measurements and due to the reduced number of automatic stations, this work proposes the development of a low cost atmospheric data collection system using the Arduino Platform. In the present study, we elaborated a system composed by a set of sensors connected to an Arduino microcontroller. Wind speed, temperature, humidity and atmospheric pressure are the variables measured and controlled by the developed system.
Keywords: Meteorological stations; Arduino; Weather sensors
1 Introdução
Nos últimos anos, houve um crescimento considerável por assuntos associados à meteorologia, principalmente em função dos eventos extremos que vem ocorrendo (ROSA, 2017). Observações, estudos e registros do tempo e do clima se tornaram fundamentais na tomada de decisões da sociedade moderna. Estas decisões, na maioria dos casos, são baseadas em dados atmosféricos coletados ao longo do tempo.
No Brasil, o Instituto de Meteorologia (INMET) realiza o monitoramento, análise e previsão do tempo e do clima. O INMET é um órgão do Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, cujo objetivo é fornecer informações necessárias à tomada de decisões à sociedade moderna no que tange ao tempo e ao clima (INMET, 2019). Por muitos anos, o INMET era o único a avaliar os dados meteorológicos medidos no Brasil. Este instituto instalava estações meteorológicas em diferentes locais do Brasil e realizava a coleta de dados em três horários do dia (TORRES et al., 2015). Ao longo dos anos, surgiu a necessidade de se conhecer mais detalhadamente as condições do tempo e clima de cada região e desta forma, as estações meteorológicas se tornaram equipamentos fundamentais, principalmente na agricultura. Embora a elevada importância das medições atmosféricas, o custo elevado das estações ainda é um fator decisivo na instalação das mesmas. Assim, neste trabalho propõe-se desenvolver uma arquitetura para aquisição de dados meteorológicos a baixo custo empregando microcontrolador Arduino.
2 Arquitetura de Coleta de Dados Meteorológicos
Para a construção da torre meteorológica foi empregado um pluviômetro de báscula, um anemômetro de copo e uma biruta eletrônica produzidos pela WRFcomercial, uma matriz de contatos protoboard de 830 pontos e jumpers (cabos). Na protoboard estão os sensores de umidade DHT22, pressão atmosférica BMP180, temperatura LM35 e os módulos RTC e o cartão de memória.
2.1 Descrição dos Sensores
Anemômetro - O anemômetro utilizado neste projeto é o de copo, funcionando com um reed switch, que é um sensor eletromagnético de aproximação. Assim quando um ímã aproxima-se do sensor fechando o contato interno, a corrente flui. No anemômetro ele fica na base fixa, enquanto a base móvel que contém as pás contém um imã. Desta forma, a cada volta que o ímã passa pelo sensor implica num pulso elétrico gerado. Este pulso é lido pelo microcontrolador, que conta o número de pulsos em um intervalo de 5 segundos e após calcula o número de rotações o anemômetro e consequentemente a velocidade do vento em metros por segundo ou quilômetros por hora (STRAUB, 2017).
Pluviômetro de báscula - Assim como no anemômetro, o pluviômetro de báscula também utiliza um sensor eletromagnético reed switch. A principal diferença entre eles é que o imã fica na báscula, e conforme a água entra no bocal do pluviômetro e enche a báscula (volume máximo de aproximadamente 0,25mm) esta vira e faz com que o imã passe pelo sensor gerando um pulso elétrico. O microcontrolador lê este pulso e faz a contagem do número de vezes que a báscula vira, sabendo o volume total da báscula, a cada vez que ela vira estima -se o volume de água que passa por ela (STRAUB, 2018).
Biruta - Este equipamento é utilizado para medir a direção do vento. O sensor utiliza resistores de diferentes valores nominais, assim quando o vento movimenta a pá da biruta, os valores de tensão mudam e são estas mudanças que permitem definir a direção do vento (USINAINFO, 2019).
Sensor de umidade - O sensor escolhido para medir a umidade do ar é o AM2302 DHT22. Este sensor digital capacitivo possui uma precisão de 0 a 100 % da umidade do ar, com uma incerteza de 2 a 5 %. O seu funcionamento ocorre na faixa de 3 até 5,5 V de tensão e consome uma faixa de 0,5 até 2,5 mA de corrente (ADAFRUIT INDUSTRIES LLC, 2019).
Sensor de pressão atmosférica - Também conhecido como barômetro, este sensor mede a pressão atmosférica. O sensor utilizado é o BMP180 da empresa Bosch que é o sucessor do BMP085, também desenvolvido pela Bosch. O intervalo de medição é de 300 até 1100 hPA. O BMP180 pode ser utilizado também como sensor de temperatura, com escala de 0 até 65 ºC. A tensão de operação do sensor é de 1,8 até 3.6 V e a corrente é de 3 µA de corrente (BOSCH, 2013).
Sensor de temperatura - Para medir a temperatura foi escolhido o sensor LM35, pois este sensor possui uma faixa de medição de -55 até +150 ºC. Para seu funcionamento é necessário apenas um resistor, conforme orienta o datasheet do fabricante (TEXAS INSTRUMENTS, 2017). O funcionamento deste sensor é linear com a tensão, associa-se a cada 10mV um grau Celsius (MARTINAZZO; ORLANDO, 2016)
Arduino - O Arduino é uma placa de desenvolvimento que é muito utilizada em prototipagem pelo seu baixo custo e facilidade de programação. Neste trabalho foi utilizado a placa Arduino Uno que tem como microcontrolador o ATmega 328 da empresa Atmel corporation. Este Arduino possui 14 pinos digitais, onde 6 pinos podem ser usados como PWM, 6 pinos analógicos e possui interface serial SPI e I2C. Cada pino de entrada e saída pode fornecer uma corrente de até 20 mA (LIMA, 2016).
Módulo RTC - O RTC (Real Time Clock) DS3231 é um módulo que conta os dias, meses, anos, horas minutos e segundos. O módulo funciona com uma tensão de 3.3v até 5v e contém uma bateria do modelo CR2032 (CLUBE DE ROBÓTICA, 2019) para evitar que o módulo sofra com quedas de energia que possam a vir a prejudicar a coleta de dados e sua temporização.
Módulo cartão de memória - Este módulo tem a finalidade de armazenamento dos dados coletados. A função principal é permitir a leitura e escrita dos dados pelo Arduino. O módulo funciona com uma tensão de 3.3 até 5 V e suporta os formatos de arquivo FAT16 e FAT32 (FILIPEFLOP, 2019) Neste projeto, ele possui a finalidade de, junto com o RTC, formar um datalogger de baixo custo para armazenamento de dados atmosféricos no respectivo tempo.
Cada um dos sensores descritos foi ligado a uma placa Arduino UNO. Esquematicamente, a ligação dos sensores é apresentada na Figura 1. Esta figura foi criada no software livre Fritzing.
3 Resultados
O principal resultado deste trabalho é um sistema de coleta de dados atmosféricos de baixo custo. A Tabela 1 apresenta o valor individual de cada componente empregado na construção da torre meteorológica. Como pode ser observado nesta tabela, o valor total da estação foi de aproximadamente R$ 700,00. Torres et al. (2015) afirma que uma estação meteorológica construída a partir de uma plataforma Arduino apresenta custo de 4% do valor de uma estação convencional de mercado. Cabe ressaltar que a estação montada por Torres et al.(2015) apresentava sensores de temperatura, umidade do ar e luminosidade, levando a um custo de R$ 193,00 no ano de 2015. Neste trabalho, a estação apresenta medidas de velocidade e direção do vento, precipitação, umidade relativa do ar, temperatura do ar e pressão, resultando numa estação de R$ 706,07, realizando uma pesquisa de preços de mercado.
Figura 1 – Esquema de ligação dos sensores meteorológicos ao microcontrolador
Tabela 1 – Componentes empregados na construção da torre meteorológica e seus respectivos preços
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Componente para estação |
Anemômetro e biruta |
Pluviômetro e abrigo meteorológico |
Sensor de umidade do ar AM2302 DHT22 |
Sensor de pressão atmosférica BMP180 |
Arduino Uno |
Módulo real-time clock |
Módulo de cartão de memória |
Protoboard de 830 pontos |
Custo total |
|
Preço |
R$269,00 |
R$ 268,97 |
R$ 49,90 |
R$ 18,90 |
R$ 54,90 |
R$ 18,90 |
R$ 8,90 |
R$ 15,90 |
R$ 706,07 |
Fonte: Mercado Livre e FilipeFlop, tabela organizada pelos autores
Nos valores das estações meteorológicas descritas acima não está incluído o sistema de aquisição, registro e interação com o computador. Além disso, o tripé de montagem não faz parte de nenhuma das estações e por este motivo deve ser adquirido separadamente.
Tabela 2 – Estações Meteorológicas e seus preços de mercado
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Estação meteorológica |
Estação Meteorológica Vantage Vue Davis (300 metros) |
Estação Meteorológica Vantage Pro2 Davis (Cabo) - K6152C |
Estação Meteorológica Vantage Pro2 Davis (sem fio) |
Estação Meteorológica Vantage Vue Davis (GPRS/GSM) – CA02 - Estação Homologada Pela ANATEL |
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R$4900,00 |
R$7200,00 |
R$7800,00 |
R$12434,00 |
Fonte: CLIMA e AMBIENTE soluções meteorológicas. Organizado pelos autores
4 Conclusões
Neste trabalho desenvolveu-se uma estação meteorológica e um sistema de aquisição de dados atmosféricos em tempo real. A estação apresentou custo reduzido e foi controlado por meio de um microcontrolador Arduino. Um estudo detalhado, confrontando as medidas realizadas pela estação criada e por estações convencionais, deve ser realizado para verificar a confiabilidade das medições realizadas por esta estação.
Agradecimentos
Agradecimentos especiais à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS) - edital 01/2017 ARD (Processo 17/0825-1) e ao Programa de Bolsas de Iniciação Científica ou Auxílio à Pesquisa - FIPE Júnior da UFSM.
Referências
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BOSCH SG. BMP180 Data sheet. [internet]; 2013 Apr 5 [cited 2019 ago 12]. Available from:https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/BST-BMP180-DS000-09.pdf
CLIMA e AMBIENTE soluções meteorológicas [internet].; 2019 [cited 2019 ago 12]. Available from:https://www.climaeambiente.com.br/prod,idloja,23707,idproduto,3724772,estacao-meteorologica-estacao-meteorologica-vantage-vue-davis--300-metros----k6250
CLUBE DE ROBÓTICA. Breve resumo do RTC DS3231. [internet] 2019 [cited 2019 ago 12]Available from:https://cluberobotica.wordpress.com/2017/04/25/rtc-ds3231/
FILIPEFLOP. Módulo Cartão SD Card. [internet] 2019 [cited 2019 ago 12] Available from: https://www.filipeflop.com/produto/modulo-cartao-sd-card/
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STRAUB MG. Pluviômetro Arduino Como Sensor de Chuva na Estação Meteorológica.[internet]. 2018 Jun 6 [cited 2019 ago 12]. Available from:https://www.usinainfo.com.br/blog/pluviometro-arduino-como-sensor-de-chuva-na-estacao-meteorologica/
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TORRES JD, MONTEIRO IO, SANTOS JR, ORTIZ MS. Aquisição de dados meteorológicos através da plataforma Arduino: construção de baixo custo e análise de dados. Scientia Plena. 2015;11: 1-13.
USINAINFO. Indicador de Direção do Vento Arduino para Estação Meteorológica - DV10. [internet].2019 [cited 2019 ago 12]. Available from: https://www.usinainfo.com.br/estacao-meteorologica-arduino/indicador-de-direcao-do-vento-arduino-para-estacao-meteorologica-dv10-4638.html?search_query=biruta&results=1