III Oficina de Montagem de Estações Meteorológicas

Protótipo e roteiro desenvolvidos por Prof. Rafael Pezzi, Leonardo Alves, Renan Bohrer da Silva, Lucas Leal, Eliana Klering.

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Roteiro referente à III Oficina de Montagem de Estações Meteorológicas.

Introdução

Apesar dos incessantes avanços tecnológicos alcançados pelo homem, seu bem estar socioeconômico continua dependendo fortemente do clima, sendo bastante provável que essa dependência aumente no futuro. Este fato não se evidencia tão somente na dependência da produção de alimentos frente à variabilidade climática, mas também em questões relacionadas à ocorrência de inundações, secas ou temperaturas extremas, o que prejudica gravemente comunidades urbanas afetando o desenvolvimento econômico e social (VIANELLO; ALVES, 2000).

Dentro deste contexto, é de fundamental importância que se congreguem esforços que venham a diminuir a dependência do homem frente à ocorrência dos fenômenos atmosféricos. Entretanto, para que isto ocorra é necessária a realização de estudos que ampliem o conhecimento sobre os mecanismos atmosféricos que provocam os eventos extremos e se melhore as previsões de tempo de curto prazo. Assim, além dos avanços tecnológicos (PCs, radares, satélites) é necessário que ocorra o treinamento de pessoal qualificado para estas tarefas.

Este é um breve roteiro das atividades propostas para a III Oficina de Montagem de Estações Meteorológicas oferecida pelo Centro de Tecnologia Acadêmica.

A III Oficina de Montagem de Estações Meteorológicas faz parte de um projeto que tem como objetivo a formação de uma rede de sensores para o monitoramento climático e ambiental do planeta. É um projeto que está em pleno desenvolvimento, tendo criado um protótipo inicial com sensores de luminosidade, temperatura, pressão e umidade relativa do ar - de custo relativamente baixo. A oficina engloba os elementos para a montagem deste protótipo, facilitando a todos os interessados a participarem no seu desenvolvimento.

O Arduino foi escolhido como plataforma de desenvolvimento da estação meteorológica por ser hardware livre e apresentar uma grande comunidade de desenvolvedores e entusiastas em todo o mundo, inclusive em português.

Uma das potencialidades do Arduino é a possibilidade combinar diversos sensores, processando seus sinais ao mesmo tempo, e obter um panorama cada vez mais apurado do ambiente em que se encontra. Trilharemos essa trajetória passo a passo, adicionando cada vez mais sensores.

Arduino

O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre, projetada com um microcontrolador Atmel AVR de placa única, com suporte de entrada/saída embutido. Pode ser usado para o desenvolvimento de objetos interativos independentes, ou ainda para ser conectado a um computador hospedeiro. (Fonte: Wikipédia)

Conecte o Arduino no computador, selecione o modelo da Placa (em Ferramentas -> Placa) e a porta serial de comunicação, tipicamente ttyUSB0 (em Ferramentas -> Porta Serial). Com a configuração correta, os programas podem ser compilados e enviados ao Arduino pressionando o botão "Carregar" na interface do computador.

Sensores básicos

Sensor de Temperatura LM35

O LM-35 é um dos sensores de maior facilidade de utilização com o Arduino. Consiste de um elemento sensor semicondutor acoplado a um circuito integrado que fornece uma tensão de saída proporcional a temperatura do elemento na proporção de 10 mV/oC. Utilizaremos da alimentação providenciada pelo próprio Arduino e uma de suas portas analógicas para efetuar a medida do sinal enviado pelo sensor.

Olhando de frente para a parte plana do LM-35 temos da esquerda para a direita: o pino de alimentação de 5 V; o pino central que oferece um sinal de saída cuja tensão é proporcional à temperatura e será conectado à uma entrada analógica do Arduino e finalmente o pino da direita é o terra. A figura abaixo ilustra esta montagem em um protoboard.


Figura 1: Montagem de um sensor LM-35 conectado ao Arduino

Com essa configuração montada, podemos acompanhar na Serial da IDE do Arduino. A temperatura é enviada regularmente pelo Arduino, com intervalo de tempo que pode ser configurado no programa abaixo. A implementação deste sensor pode ser feita em poucos minutos, que fantástico!

Programa Arduino: LM-35

Sensor de Luminosidade

Começamos adicionando um LDR, Light Dependent Resistor (ou seja, resistor dependente de luz), para medir a luminosidade em uma escala de 0 a 1023, que é a resolução do nosso microcontrolador de 10 bits. Montamos o LDR e um resistor como um divisor de tensão, colocando-o em série com um resistor, alimentando circuito com 5 V e conectando a trilha entre os dois a uma entrada analógica do Arduino (como na figura abaixo). Quanto maior a luminosidade, maior será a diferença de potencial elétrico no LDR e maior será a entrada do sinal analógico. Portanto, 1023 corresponde ao máximo de luminosidade. Já temos dois sensores operando em equipe! Preste atenção nas cores dos resistores disponibilizados. O de 2k2, utilizado nesta configuração, se parece com esse.


Figura 2: Montagem de um sensor LM-35 e um LDR conectados ao Arduino

Programa Arduino: LDR e LM-35

Tópicos Avançados

Tendo completado a utilização de dois sensores simples com medições periódicas, vamos programar o Arduino para receber comandos do computador para realizar as medidas conforme solicitado. Isto é feito programando o Arduino para atuar em modo de espera de comandos pela porta serial. Ao receber um comando específico, que consiste de caracteres individuais, o Arduino executa uma função pré determinada, acionando a leitura de uma medição de um sensor e a apresentação da resposta pela porta serial.

Os esquemas apresentados abaixo utilizam o programa completo da versão atual da estação Meteorolog, disponível aqui - meteorolog.ino

BMP085

O BMP 085 consiste de um sensor de pressão barométrica e temperatura. Este sensor também resulta em um aumento da resolução da medida de temperatura. Isso porque o BMP-085 apresenta uma melhor resolução quando conectado diretamente ao Arduino. Conectamos esse sensor na protoboard com os conectores voltados para o topo. Da esquerda para a direita conectaremos as trilhas da seguinte maneira: a primeira vai ligada ao 3.3 V, a segunda vai no terra, as duas do meio não serão utilizadas. A penúltima vai ligada à entrada analógica A5 e a última vai ligada à entrada analógica A4. Notem que essas duas últimas portas são específicas, e não apenas pelo programa que estamos usando, essas entradas são destinadas ao SDA e SCL (que são respectivamente a última e a penúltima saídas do sensor) no Arduino. SDA e SCL são portas do sistema I²C, que é um tipo particular de barramento serial de entrada única, ou seja, uma forma de controlar entradas de dados por uma única porta. Mas você não precisa se preocupar com isso, por enquanto fique tranquilo conectando as coisas nos lugares certos que tudo correrá bem. Feito isso já temos nosso projeto de estação utilizando um sensor apurado e versátil!


Figura 3: Montagem de um módulo BMP 085, sensor de pressão barométrica e temperatura, conectados a um Arduino

Sensor de Umidade do Ar DHT11, Completando a Estação.

Agora, para terminar a montagem da nossa estação meteorológica basta adicionar um sensor de umidade, no nosso caso o DHT11. Posicionando o circuito com a parte aberta voltada para você, conecte da esquerda para a direita: primeiro o conector com a alimentação em 5 V, que vai em série com um resistor de 4.7 kohms, que por sua vez vai conectado ao segundo conector, que liga-se com o pino digital indicado em seu programa (D4 por padrão), então temos um conector que não é usado, e o último vai aterrado. O resistor de 4k7 tem essas cores.


Figura 4: Imagem da montagem do protótipo de estação meteorológica

Feito isso você já tem seu próprio protótipo de estação meteorológica em funcionamento! Estão sendo medidos a cada minuto pressão, luminosidade, umidade e temperatura por dois sensores diferentes (o DHT11 também provêm uma medida de temperatura, menos apurada). Você pode ler em sua tela através da porta serial, com alguns comandos, cada um desses parâmetros, comparar as medidas de temperatura dos nossos dois sensores, tentar fazer relações entre as medições de diferentes grandezas. E que tal armazenar esses dados? E quem sabe fazer mais estações e espalhá-las em diferentes locais da sala? Teremos medições de diferentes parâmetros ponto a ponto. Pense nisso agora em maior número numa cidade. E pense em dados ambientais sendo enviados a todo momento com informações ponto a ponto nessa cidade. E pense se não podemos com isso interagir melhor com o mundo que nos cerca, entendê-lo, prevê-lo e remediá-lo. Essa é a filosofia da Estação Meteorológica. Você já é capaz de construir uma! E aí, gostou?

Armazenando e Utilizando os Dados

Com esse programa, podemos armazenar os dados coletados pela sua estação. (É preciso ajustar, no código, o caminho de destino do arquivo com os dados desejado).

Utilizando seus dados coletados, ou usando uma amostra, podemos criar gráficos e análise estatística desses dados.

Utilizando esse programa, é possível criar gráficos com seus dados. Com este outro programa, pode-se visualisar, além dos dados brutos, estatísticas desses dados.

veeefis_oficina_estacoes.odp (2,7 MB) Eliana Veleda Klering, 17/10/2013 13:54