Subsistema de Controle

O subsistema de controle eletrônico da estufa hidropônica é composto por quatro outros subsistemas, onde ambos são controlados pelo mesmo microcontrolador ESP32. Eles utilizam os parâmetros críticos coletados pelo subsistema de sensoriamento para atuar sobre os subsistemas de controle específicos, ajustando os atuadores e assegurando condições ideais, como temperatura, umidade, iluminação, pH e nutrientes, para o crescimento saudável das plantas.

Nos próximos subsistemas, serão apresentadas, nas Figuras 2, 3, 5, 6 e 7 imagens ampliadas so circuito de cada um deles, destacadas a partir do esquema geral de controle ilustrado na Figura 1. Essas representações detalham a integração e o funcionamento individual de cada subsistema no contexto do controle eletrônico da estufa hidropônica.

Figura 1: Esquemático de controle. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

Controle do reservatório

O sistema hidropônico é um circuito fechado composto por um reservatório e uma tubulação. No sistema, ilustrado na Figura 2, uma ESP32 controla pelo seu pino digital um transistor 2N2222, que por consequência controla uma bomba responsável pela circulação contínua do fluido. Já na Figura 3, a ESP32 utiliza um transistor TIP31 para gerenciar uma válvula solenóide, que regula o nível do reservatório, mantendo-o dentro de uma faixa operacional adequada.

Figura 2: Ampliação do circuito de controle da bomba de recirculação. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

Figura 3: Ampliação do circuito de controle para entrada de água no sistema. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

Controle de qualidade da água

O pH e os nutrientes são elementos fundamentais para o funcionamento de um sistema hidropônico, pois influenciam diretamente a absorção de nutrientes pelas plantas e o seu desenvolvimento saudável. A interação entre pH e nutrientes é crítica: um pH bem ajustado potencializa a eficiência do uso de nutrientes, enquanto concentrações nutricionais adequadas contribuem para o equilíbrio químico do sistema. Manter esses fatores sob controle promove o crescimento vigoroso e maior rendimento das plantas.

No sistema hidropônico, utilizamos uma solução completa de nutrientes, dividida em dois componentes: nutrientes tipo A e nutrientes tipo B. A concentração desses nutrientes é medida pelo TDS (Total Dissolved Solids) que tem como unidade o ppm (partes por milhão), garantindo o monitoramento e o ajuste preciso do sistema. Essas soluções fornecem todos os macronutrientes e micronutrientes essenciais, assegurando o equilíbrio necessário para o crescimento saudável e o desenvolvimento ideal das plantas.

O controle do pH é realizado com soluções específicas: uma solução ácida, para reduzir o pH, e uma solução alcalina, para elevá-lo. Esse ajuste mantém o pH da solução nutritiva dentro da faixa ideal, promovendo a máxima eficiência na absorção dos nutrientes.

Conforme o circuito da figura 5, a qualidade da água é monitorada pelo subsistema de sensoriamento, que mede os parâmetros críticos de pH e TDS. Com base nesses dados, no sistema de controle a ESP32 aciona quatro bombas peristálticas para adicionar as soluções corretivas necessárias, assegurando que os níveis permaneçam dentro das faixas ideais de pH e TDS especificadas para cada planta. O acionamento das bombas é realizado pelos pinos digitais da ESP32, que chaveiam um transistor 2N2222, ao qual liga e desliga as bombas peristálticas.

No gerenciamento da qualidade da água, é essencial definir para cada planta uma faixa ideal de pH e TDS (Total de Sólidos Dissolvidos), além de uma faixa crítica de pH. Sempre que os valores ultrapassam essa faixa crítica, é necessário realizar correções imediatas. Assim, foram estabelecidas as seguintes prioridades de atuação:

1. Faixa crítica de pH: Se o pH estiver fora do limite crítico, a correção deve ser acionada imediatamente para proteger a planta.
2. Faixa ideal de TDS: Quando o TDS estiver fora do intervalo recomendado, ajustes são realizados para equilibrar os nutrientes da solução.
3. Faixa ideal de pH: Se o pH sair da faixa ideal, mas permanecer dentro dos limites críticos, são feitas correções para retornar ao intervalo adequado.

Essa hierarquia garante que os parâmetros sejam mantidos dentro dos níveis que promovem o crescimento saudável das plantas, priorizando condições críticas para evitar danos severos.

No diagrama da figura 4, temos uma representação mais detalhada sobre o controle destas correções. Esse gerenciamento garante condições ideais para o crescimento vigoroso e equilibrado das plantas.

Figura 4: Diagrama de fluxo do controle de correções da qualidade da água do sistema hidropônico. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

Figura 5: Ampliação do circuito de controle das bombas de gerenciamento de pH e nutrientes. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

Controle de luminosidade

O controle de iluminação em um sistema hidropônico NFT é crucial para o crescimento saudável das plantas. Ele garante o ciclo adequado de luz e escuridão, ajustando a intensidade e a qualidade da luz (como espectros vermelhos e azuis) para otimizar a fotossíntese. Isso resulta em uma taxa de crescimento mais rápida, previne estresse e doenças, e melhora a eficiência energética do sistema, garantindo um cultivo mais produtivo e saudável.

Com base em um estudo do Instituto Agronômico de Campinas sobre o Manejo da iluminação em cultivo Indoor de alface, as plantas foram conduzidas em hidroponia do tipo NFT, sob fotoperíodos de 12, 14, 16, 18, 20, 22 e 24 horas, onde se avaliou os efeitos do fotoperíodo na sua qualidade, acúmulo de biomassa pelas plantas e assimilação diária de CO2. Como resultado do estudo, chegaram na seguinte conclusão.

"O fotoperíodo de 18 horas apresentou a melhor relação custo-benefício, sendo o menor fotoperíodo que conduziu aos melhores resultados biométricos e causou a maior eficiência da produção de biomassa foliar, teores adequados de nutrientes e aspecto visual aceitável das alfaces, de acordo com padrões comerciais." - Silva, Luciano de Melo

Para simular um ciclo dia/noite, conforme mostrado na Figura 6, a ESP32 controla com seu pino digital um transistor 2N2222, este transitor chaveia um relé que conecta e desconecta da rede 220V, uma placa de LEDs para cultivo. Dessa forma, ela liga e desliga os LEDs, garantindo que a iluminação ocorra por um tempo determinado, seguida por uma pausa de determinada, reiniciando o ciclo automaticamente. Por exemplo no cultivo de alfaces, os leds realizarão um fotoperiódo de 18 horas seguido de 6 horas de descanso.

Figura 6: Ampliação do circuito de controle da iluminação do ambiente interno da estufa. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

Controle de exaustão

Por exemplo, no cultivo de alface, o ambiente não deve ultrapassar 23ºC, por isso um sistema de exaustão é utilizado para resfriar o ambiente da estufa.

Na Figura 7, é mostrada a representação do circuito de exaustão, onde a ESP32 pelo seu pino digital, controla um exaustor por meio de um transistor 2N2222, mantendo a temperatura interna do ambiente da estufa dentro de uma faixa pré-configurada, garantindo condições ideais para o crescimento da planta.

Figura 7: Ampliação do circuito de controle de ventilação da estufa. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

Subsistema de sensoriamento

Figura 1: Esquemático geral do sensoriamento. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

Condutividade da água

Este sistema utiliza o sensor TDS Meter para medir a concentração de sólidos totais dissolvidos (TDS, Total Dissolved Solids) na solução nutritiva que será dispersa no tanque de água. Essa medição é fundamental para garantir que os nutrientes estejam em níveis adequados para o cultivo hidropônico, assegurando o crescimento saudável das plantas.

Figura 2: Esquemático das conexões do sensor de condutividade da água. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

O sensor mede a condutividade elétrica da água utilizando uma sonda à prova d'água, convertendo o valor em partes por milhão (ppm), que representa a quantidade de sólidos dissolvidos por litro de água. No projeto, ele será usado para monitorar a concentração de dois nutrientes adicionados à solução, sem distinguir entre eles.

O sensor TDS funciona detectando íons condutivos presentes na água, como sais e minerais dissolvidos. A condutividade elétrica da solução é diretamente proporcional à concentração de sólidos dissolvidos (TDS), permitindo que o sensor forneça uma leitura indireta da quantidade de nutrientes na água.

No sistema desenvolvido, o sensor é alimentado pelo pino de 3,3 V da ESP32, garantindo compatibilidade e eficiência energética. A saída do sensor é um sinal analógico proporcional à condutividade da água, variando de 0 a 2,3 V, uma faixa adequada para os pinos ADC do microcontrolador ESP32.

Para processar os dados, o pino de saída do sensor é conectado a um dos pinos ADC da ESP32, que converte o sinal analógico em um valor digital. Com base nesse valor, a ESP32 calcula a concentração de sólidos dissolvidos em ppm, utilizando uma equação fornecida pelo fabricante, equivalente ao padrão americando (1 mS/cm = 500 ppm). Esse cálculo permite determinar a concentração total de sólidos dissolvidos na solução nutritiva da estufa.

PH e temperatura da Água

O sistema desenvolvido utiliza o sensor PH-4502C para realizar medições do pH e da temperatura da água utilizada no cultivo hidropônico. Essas variáveis são cruciais para monitorar e ajustar as condições da solução nutritiva, garantindo o equilíbrio químico ideal para a absorção de nutrientes pelas plantas.

Figura 3: Esquemático das conexões do sensor de PH. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

O sensor mede o pH da solução com uma sonda eletroquímica conectada ao módulo de leitura. A sonda converte as diferenças de concentração de íons H+ em uma tensão analógica, que o módulo ajusta para que um pH neutro (7) corresponda a 2,5 V. O pH ácido produz tensões mais próximas de 0 V, enquanto valores alcalinos aproximam-se de 5 V.

Além disso, o módulo possui um terminal específico (T0) para medir a temperatura no módulo. O sinal de temperatura também é analógico e varia proporcionalmente com a temperatura, porém por ser um termistor presente no módulo, a temperatura medida não possui qualidade suficiente para aferir a qualidade da água, uma vez que este termistor não está em contato com o líquido.

Sendo assim, utilizamos o sensor DS18D20 para medição da temperatura da água. Veja a figura 4.

Figura 4: Esquemático das conexões do sensor de temperatura da água. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

O sensor é alimentado com 5 V, mas como a ESP32 trabalha com entradas de até 3,3 V, é utilizado um divisor de tensão no sinal de saída (PO). O divisor ajusta a faixa de tensão de saída do sensor para variar entre 0 V e 3 V, protegendo os pinos ADC da ESP32 e garantindo leituras seguras e precisas.

O divisor de tensão é composto por dois resistores:

• R1 = 2 kΩ (conectado ao sinal do módulo).
• R2 = 3 kΩ (conectado ao GND).

O ponto médio entre os resistores é conectado aos pinos ADC da ESP32, reduzindo proporcionalmente a tensão de entrada.

Os sinais dos sensores são processados pela ESP32 da seguinte maneira:

• O sinal PO (saída de pH) é conectado a um pino ADC para leitura da tensão correspondente ao pH.
• O sinal DQ (saída de temperatura) é conectado a outro pino digital para leitura da temperatura.
• A ESP32 converte os sinais analógicos em valores digitais e realiza os cálculos necessários para determinar os valores de pH e temperatura.

Temperatura e Umidade Ambiente

O sensor DHT11, integrado com o ESP32, permite medições confiáveis de temperatura e umidade relativa do ambiente, com dados enviados digitalmente para o microcontrolador. A ESP32 é uma plataforma ideal para esse propósito, devido à sua versatilidade, conectividade Wi-Fi e recursos avançados de processamento.

O DHT11 mede a umidade relativa por meio de um sensor resistivo cuja resistência varia conforme o conteúdo de vapor de água no ar. Para a medição de temperatura, o sensor utiliza um termistor NTC que registra mudanças de resistência conforme a variação de temperatura.

Esses dados analógicos são convertidos em sinais digitais pelo microcontrolador interno do DHT11.

Figura 5: Esquemático das conexões do sensor de temperatura e humidade. Fonte: Elaboração própria. Todos os direitos reservados.

O DHT11 utiliza uma interface digital de único fio para comunicação com o ESP32. Aqui está o processo:

• Pulso de Início: A ESP32 envia um sinal LOW para o pino de dados por pelo menos 18 ms para inicializar o sensor.
• Resposta do Sensor: O DHT11 responde alterando o pino para LOW por 80 µs e depois HIGH por mais 80 µs, indicando que está pronto para transmitir dados.
• Envio dos Dados: O sensor transmite 40 bits de dados na seguinte ordem:
  • 16 bits para umidade (parte inteira e decimal). -16 bits para temperatura (parte inteira e decimal).
  • 8 bits para checksum.

O comprimento do pulso HIGH determina o valor do bit:

• Pulso curto (~26-28 µs): representa um 0.
• Pulso longo (~70 µs): representa um 1.

O DHT11 é alimentado pelo pino de 3,3V do Regulador de Tensão. O pino de dados do sensor é conectado a um GPIO configurado como entrada na ESP32. Um resistor pull-up de 5,1kΩ (recomendado pelo datasheet) deve ser adicionado entre o pino de dados e o VCC para garantir comunicação estável.

Regulação dos sinais

Divisores resistivos foram utilizados no projeto para reduzir a tensão de 5V para 3V, permitindo que sinais sejam lidos de forma segura pelos GPIOs da ESP32, que não suportam tensões acima de 3,3V. Foram implementados três divisores: dois para sinais analógicos (PH e temperatura da água) e um para sinal digital (DHT11).

Funcionamento de um Divisor Resistivo: Um divisor resistivo é composto por dois resistores em série. A tensão de saída (Vout) é determinada pela proporção entre os resistores R1 e R2, conforme a fórmula:

Vout = Vin * (R2 / (R1 + R2))

Onde:

• Vout: Tensão de saída após o divisor resistivo.