Sistema capacitivo sem fio para monitoramento da umidade do solo em diferentes profundidades

Abstract

O monitoramento remoto da umidade do solo em várias profundidades tem sido um desafio para diversos pesquisadores, uma vez que demanda sensores físicos adequados, acoplados a uma rede de coleta e transmissão de dados. Dentre as técnicas indiretas de estimativa da umidade do solo, destacam-se aquelas que utilizam princípios eletromagnéticos (como a constante dielétrica, a capacitância e a resistência elétrica do solo). Os sensores eletromagnéticos (sobretudo os baseados na constante dielétrica e na capacitância) têm apresentado boa precisão nas estimativas, além de oferecerem facilidade e segurança no uso, bem como possibilitarem o monitoramento contínuo de forma remota. Por outro lado, os sensores eletromagnéticos utilizados no Brasil são, em sua maioria, desenvolvidos em outros países, o que eleva os custos. Assim, o desenvolvimento de um sistema com tecnologia nacional para estimar a umidade do solo tem importância estratégica. Outro desafio relevante refere-se à construção de um sistema de transmissão de dados sem fio capaz de cobrir grandes distâncias. Nesse contexto, o presente trabalho propõe a construção de uma sonda segmentada para a estimativa da umidade do solo em diferentes profundidades, com transmissão de dados a longas distâncias. A construção física da sonda consistiu em pares de anéis de cobre de baixa resistência fixados em uma haste de resina, bem como em um circuito eletrônico capaz de converter valores de capacitância em tensão elétrica. A técnica indireta utilizada foi a da capacitância de alta frequência, gerada por um circuito tank composto pela associação entre indutor e capacitor. Quanto ao dimensionamento, obteve-se a maior faixa de capacitância ao se utilizarem anéis com 30 mm de altura e espaçamento de 30 mm entre si, para um segmento de sonda de aproximadamente 120 mm. A análise da faixa de capacitância é fundamental, pois está diretamente relacionada à sensibilidade da sonda e, consequentemente, a uma discretização mais adequada da umidade do solo. A placa de prototipagem eletrônica (TTGO T-Beam) foi utilizada no projeto para o condicionamento dos sinais recebidos da placa eletrônica, cuja função é converter a umidade do solo em tensão elétrica. Além disso, o sistema de transmissão de sinais sem fio, com tecnologia LoRa, conta com um TTGO situado em campo e outro TTGO localizado no Instituto de Agronomia da UFRRJ, distantes aproximadamente 642 m entre si. Os resultados obtidos da calibração da umidade do solo em função da tensão elétrica em condição de laboratório, a partir de solos com diversas classes texturais utilizando coeficiente de determinação (R2

) e raiz do erro

quadrático médio (RMSE), foram: Areia franca obteve R2

= 0,93 e RMSE = 0,0204;

Argiloarenosa R2 = 0,95 e RMSE = 0,0187; Argila R2

= 0,90 e RMSE = 0,0362, orgânico R2 = 0,92 e RMSE = 0,0400. Em campo, a sonda multissegmentada foi capaz de estimar a umidade em três profundidades obtendo os seguintes resultados de calibração conforme a classe textural apresentada no perfil do solo em análise: Areia franca (10 cm), R2

= 0,98 e RMSE = 0,0073;

Franco-Argiloarenosa (30 cm), R2

= 0,94 e RMSE = 0,0139; e Franco-Argiloarenosa (50 cm),

R 2 = 0,98 e RMSE = 0,0058. Os resultados de calibração, tanto em laboratório quanto em campo, indicam que a sonda apresentou boa acurácia e robustez, podendo ser utilizada em diferentes situações em que o conhecimento da umidade do solo é essencial para a tomada de decisão como em sistemas de irrigação, alertas de movimentos de massa, monitoramento de barragens e contenção de encostas, bem como em estudos de modelagem dos fluxos de água no solo.