Sensor DHT22

Especificações do fabricante

O DHT é um sensor digital que realiza medidas de temperatura e umidade relativa do ar. Por ser digital, a resposta enviada por ele já vem com as respectivas unidades. Quando o sensor não está devidamente conectado a resposta será "NA", de "not a number", que significa, do inglês, "não é um número". Para usar o DHT é necessário usar bibliotecas, como as encontradas no repositório da adafruit . Neste repositório também é encontrado firmwares de teste que ajudam a compreender o funcionamento do DHT.

O datasheet disponibilizado pela SparkFun, também disponível aqui , descreve as seguintes especificações:

Umidade Relativa do Ar Temperatura
Faixa de operação 0-100% -40~80°C
Exatidão/Accuracy +-2%(Max +-5%) (25°C) <+-0.5Celsius
Resolução ou sensividade 0.1% 0.1°C
Repetibilidade +-1% +-0.2°C
Histerese da umidade +-0.3%
Estabildiade a longo termo +-0.5%/Ano

O DHT também é nomeado AM2302, fabricado pela Aosong. Segundo o datasheet, cada sensor deste modelo tem uma compensação e calibração de temperatura feita numa câmera de precisão. O coeficiente de calibração é salvo em uma programa na memória OTP, logo, não necessita de componentes extras.. Quando o sensor está em funcionamento, irá citar o coeficiente da memória. Ele mede umidade relativa e temperatura, por um sinal digital. O sensor de humidade é capacitivo.
Pode ser usado para transmissões de longa distância (20m) e possui um baixo consumo de potência, além de ser estável a longo termo.
Seus elementos sensitivos estão conectados com um chip de 8 bits, sua saída é um sinal digital single-bus.
O período de cada medição é, em média, 2 segundos. Após a tensão ser aplicado, é sugerir esperar 1 segundo para realizar a medição. É também sugerido colocar um capacitor de 100nF entre o VDD e o GND para filtrar. É sugerido não soldar o sensor em temperaturas maiores do que 260 celsius, o que provavelmente significa que a solda usada deve ser bem fina.

A exatidão referente a umidade relativa do ar é valida para medidas a 25°C. A figura abaixo mostra o erro do sensor como uma função da faixa de operação.

No gráfico da esquerda está representado o erro da umidade relativa em relação a faixa de umidade relativa do ar a 25°C; o eixo x são valores de umidade relativa do ar e no eixo y o erro na medida de umidade relativa do ar (em %). No da direita está o erro da temperatura; o eixo x são valores de temperatura e o eixo y o erro na medida (em°C). Imagem retirada de AOSONG.

Para umidade, entre 0 e 10% Rh e entre 90 e 100% o erro sobe para 4%. Pra a temperatura, entre 0 e -120°C e entre 60 e 80°C o erro sobre para 0.4°C

Recomendações de armazenamento:
Temperatura: 10 ~ 40 °C
Umidade: 60% RH ou menos

O sensor de temperatura é o pt100. O pt100 é um termo resistor de platina com resistência de 100 Ω. Neste tipo de sensor a variação da temperatura causa uma variação na resistência elétrica do material, que é medida pela alteração na queda de tensão no sensor.
A umidade relativa do ar é medida com um sensor capacitivo polimérico. Sensores capacitivos de umidade consistem em um substrato com um filme fino dielétrico depositado entre dois eletrodos condutores, formando um capacitor. Considerando que a distância entre os dois eletrodos é a mesma durante toda sua extensão, e negligenciando o efeito de borda, é possível aproximar a capacitância do sensor a de uma capacitor de placas paralelas. Para este capacitor, a capacitância C é uma razão do produto da constante dielétrica do material e da área das placas pela distância entre elas. A mudança na constante dielétrica do filme é proporcional à umidade do ar a que está exposto, o que consequentemente altera a capacitância deste pequeno capacitor. Uma compensação de temperatura é feita1 pois a quantidade de água adsorvida no dielétrico depende tanto da umidade relativa do ar quanto da temperatura. A umidade relativa do ar é então uma função da capacitância do dielétrico (o sensor de umidade) e da temperatura (medida pelo sensor de temperatura).
O DHT22 é um sensor digital que possui um microchip embarcado que retorna as leituras de umidade relativa do ar e temperatura através de um sinal digital. Pode ser usado para transmissões a longas distâncias, possui baixo consumo de energia e não precisa de componentes extras para o funcionamento. O período mínimo de cada medição é de aproximadamente 0,2 s. Segundo informado pelo fabricante, a medida de umidade relativa do ar tem uma compensação da temperatura feita a partir da calibração de cada sensor e exposição prolongada a luz e radiação ultravioleta podem danificar o sensor.

Caracterização do sensor

Será que a exatidão e precisão informadas pelo fabricante refletem comportamento do DHT22? Motivadas por isso, foi feita uma caracterização do DHT analisando os dados de 10 dias de medida de 7 DHTs em equilíbrio térmico. O valor de referência, de comparação, usado como o valor "real" foi a média dos valores medidos pelo sensor. Mais detalhes sobre no relatório final da pesquisa

Nesta pesquisa, a faixa de temperatura analisada vai de 26,5 a 28.8°C e a umidade relativa do ar vai de 45 a 61%. Foi analisado um período de 10 dias com amostragem de 1 min (1 em 1 min).

Antes, vamos entender dois conceitos importantes:

Exatidão

Exatidão, ou accuracy, é a capacidade medir uma quantidade próxima ao valor real, uma característica chamada de "trueness". Efeitos estatísticos e aleatórios também influenciam na exatidão.
Para temperatura, a exatidão/accuracy esperada é de +- 0.5°C. Isso significa que espera-se que os valores medidos se distanciem apenas 0.5°C do valor "real".
No caso da umidade relativa do ar, a exatidão esperada é de +- 2%, com um alcance máximo de +- 5%.

Repetibilidade/Precisão

Precisão, ou repetibilidade, é capacidade de medir o mesmo valor em várias medidas. Está associada com efeitos aleatórios, estatísticos. Está mais associada a reprodutibilidade de uma medida. É o quanto medidas repetidas sobre as mesas condições resultam no mesmo valor. A precisão de uma média é igual ao desvio padrão dividido pela raiz quadrada do número de observações.
É esperado que as medidas feitas sob as mesmas condições fiquem numa mesma faixa, de +- 0.2°C para temperatura, e +- 1% para umidade relativa do ar.

Análise dos dados de Temperatura

Começamos olhando o comportamento dos sensores, segue a média por dia dos valores de temperatura:

Então surge o questionamento, qual a diferença entre o valor medida por cada sensor e o valor de referência?

Esses gráficos apenas nos ajudam a entender o comportamento dos sensores. Para a caracterização, será analisado o comportamento destes sensores conjuntamente, sem distingui-los. Os histogramas abaixo mostram a frequência de cada valor de diferença entre quantidade medida e a quantidade real do mesmo instante.

Para temperatura:

- A B C D E F G
Média (°C)/Offset 0.0 0.0 0.1 -0.4 0.3 -0.3 0.2
Desvio Padrão (°C) 0.03 0.03 0.03 0.03 0.04 0.03 0.03
2*DP (°C) 0.06 0.06 0.06 0.06 0.08 0.06 0.06

As diferenças ΔT variaram dentro do intervalo de ±0,5°C, abaixo da exatidão do sensor segundo o seu datasheet. Os sensores D e F apresentam um desvio negativo acentuado, enquanto os sensores C, E e G apresentam um desvio positivo. Já os sensores A e B estão centrados em 0.
A primeira informação obtida desta análise corresponde aos offsets de cada sensor. Eles variaram de -0,3°C até 0,4°C, todos dentro da faixa de exatidão nominal do sensor. Os desvios padrão de cada sensor,na segunda linha da tabela, indicam uma precisão melhor do que precisão apresentada pelo fabricante no datasheet do sensor (0.2°C), mesmo se considerarmos dois ou três desvios padrões a fim de aumentar a confiança nos valores observados. O desvio padrão estimado para os offsets da tabela (veja mais informações nor elatório final) da temperatura da população de DHTs é 0,25°C. A incerteza é então de 0,5°C, pouco mais do dobro da precisão nominal. Esta incerteza é próxima da precisão nominal para 68% das medidas, mas diferente quando considerada 98% das medidas. Os resultados demonstram que as especificações do fabricante estão próximas ao comportamento do sensor nesta faixa de temperatura.
Mesmo assim, foi considerada na análise uma incerteza equivalente a três desvios padrão da precisão medida de cada sensor, referida no trabalho como “precisão observada”. Os valores variam entre 0,09°C e 0,12°C, considerando que a resolução do sensor é de 0,1°C, todos os resultados foram arredondados para 0,1°C.

Análise dos dados de Umidade relativa do ar

Começamos olhando o comportamento dos sensores, segue a média por dia dos valores de umidade relativa do ar:

Então surge o questionamento, qual a diferença entre o valor medida por cada sensor e o valor de referência?

Esses gráficos apenas nos ajudam a entender o comportamento dos sensores. Para a caracterização, será analisado o comportamento destes sensores conjuntamente, sem distingui-los. Os histogramas abaixo mostram a frequência de cada valor de diferença entre quantidade medida e a quantidade real do mesmo instante.

- A B C D E F G
Média (%) -4.08 0.17 1.18 0.32 6.23 -3.51 -0.31
Desvio Padrão -+(%) 0.26 0.23 0.18 0.28 0.32 0.42 0.30
2*DP (%) 0.52 0.46 0.36 0.56 0.64 0.84 0.60

As diferenças se concentram em valores bem diferentes, concentrados em -4%, 0% e 6%. Os sensores B, C, D e G apresentam ΔU menores do que ± 2%, a exatidão do DHT22. Os sensores A e F aprestam valores maiores do que ± 2%, mas menores do que a exatidão máxima de ± 5%, enquanto o valor do sensor E foi superior a ± 5%.
O desvio padrão estimado (mais detalhes no relatório final) encontrado para os offsets da umidade relativa do ar da população de DHTs é 3,4%, logo, sua incerteza é de 6,8%. Este valor supera em quase 7 vezes a precisão nominal do sensor, demostrando que o comportamento das umidades relativas do ar estão em desacordo com as especificações do fabricante.

Estes resultados alertam que as especificações do fabricante não representam o comportamento do DHT22 para medidas de umidade relativa. A ausência de maiores detalhes sobre as características do sensor em diferentes temperaturas limita maiores conclusões. Veja no relatório final mais detalhes desta discussão.

Importante atentar que o valor de referência usado é a médias dos valores desses DHTs, e que uma caracterização mais completa usaria um sensor padrão, de maior confiança, como referência.

Calibração

Pode ser desejado que a exatidão do DHT seja melhorada, para isso, é necessário fazer uma calibração. No caso, será descrito a adição de um offset, um valor que vai deslocar os valores medidos para mais próximo do valor "real". Em 2018 a colaboradora Marina realizou diversas pesquisas sobre abrigos meteorológicos usando o DHT22, mais detalhes desta pesquisa podem ser encontrados na página sobre Abrigos Meteorlógicos . Durante esta pesquisa, realizou a calibração desse sensor. o caderno de laboratório desta pesquisa pode ser encontra nesta tarefa .

Alguém pode se perguntar: "Por que calibrar, se o DHT já vem calibrado?" Bom, veja os seguintes histogramas:

Ou, quem sabe, esse aqui:

Esses são histogramas das diferenças entre a medida realizada em cada minuto por um DHT e a medida de referência. Essas medidas foram realizadas num período de 10 dias, com 7 DHTs em equilíbrios térmico. Idealmente, o histograma deveria se concentrar em torno do zero, indicando que a diferença entre a medida de referencia, a medida "real", e a medida de cada sensor é próxima a zero. Ao invés, é possível notar que existem vários picos de medidas, existem "ilhas" de concentração - o desvio padrão mostrado na figura não faz sentido, já que os histogramas não seguem uma distribuição normal. Isso indica que existe uma diferença sistemática entre a medida de referência e a medida feita pelo sensor.
Nesta outra figura, é possível ver as mesmas medidas de temperatura, mas discriminadas por sensor e por hora (são a média por hora de todos os 10 dias).

Nesta é possível notar que os sensores apresentam o mesmo comportamento, mas estão deslocados uns dos outros de algumas dezenas de grau. Por isso, adicionar um offset para cada sensor é importante para aproximar a medida da medida real.

Bom, mas qual é o offset que deve ser aplicado? Nada mais é do que a média dessas diferenças. As tabelas abaixo mostram as médias de cada sensor, nomeados de A, B, C, D, E, F e G, e em seguida o histograma dessas diferenças, discriminando as diferenças entre a referência e as mediadas de cada sensor..

Note que esta calibração serve para os sensores testados, os valores de offset usados não podem ser aplicados para qualquer DHT. É sugerido repetir este mesmo processo no caso de novos DHTs. Os códigos R usados para a calibração descrita se encontram no repositório git

Temperatura

Offset Novas Médias Novos DP
A 0.0 -0.0032 0.03
B 0.0 -0.0015 0.03
C 0.1 0.0029 0.03
D -0.4 0.0007 0.03
E 0.3 0.0041 0.04
F -0.3 -0.0033 0.03
G 0.2 0.0004 0.03

O offset aplicado, as médias das diferenças, foi subtraído de todos as medidas de cada sensor. O resultado foi o esperado, histogramas centralizados em 0. Os valores calibrados variam principalmente entre +0,1°C e -0,2°C. Esta variação era esperada, pois esta calibração pretendia melhorar a exatidão das medidas, não sua precisão. A média zero não significa que todas as diferenças foram nulas e que a “máxima” exatidão foi alcançada, pois foi subtraída de cada uma a exata diferença média e a referência usada é a média dos resultados. Logo, a calibração centrou os resultados de cada sensor na média, e a diferença de cada um em relação a média será nula.

Umidade relativa do ar

- A B C D E F G
Média (%) -4.08 0.17 1.18 0.32 6.23 -3.51 -0.31
Desvio Padrão -+(%) 0.26 0.23 0.18 0.28 0.32 0.42 0.30
2*DP (%) 0.52 0.46 0.36 0.56 0.64 0.84 0.60

Offset Novas Médias Novos DP
A -4.08 -0.0010 0.26
B 0.17 -0.0043 0.23
C 1.18 0.0007 0.18
D 0.32 0.0021 0.28
E 6.23 0.0026 0.32
F -3.51 0.0032 0.42
G -0.31 -0.0034 0.30

Um desvio padrão já é maior do que a resolução, dois então. . . Isso já era esperado, dado que a calibração, a adição de um offset, deveria melhorar a accuracy, não a precisão/repetibildade.

Aqui foi demonstrada a calibração da umidade relativa do ar, mas lembre-se que está medida é uma função da temperatura e da faixa de umidade relativa do ar medida, por isso uma calibração simples como a demonstrada não é adequada para este tipo de medida. Uma calibração mais adequada deveria considerara diferentes faixas de medida e diferentes temperaturas. Esta calibração não foi utilizada na pesquisa da Marina

Experiências e comentários de uso

Como descrito no datasheet, o DHT é sensível a temperaturas muito altas, por isso o solda deve ser feita com cuidado. Uma sugestão é soldar o fio a algum barramento, e encaixar o DHT no barramento. O DHT pode ser firmado ao barramento com fita isolante ou termoretrátil.
Durante o desenvolvimento da germinadora/incubadora/estufa, a colaboradora Marina notou que a resposta do DHT a mudanças de temperatura é bem lenta.

Outras pesquisas

Ao pesquisar sobre trabalhos realizadas com o DHT22, mesmo uma pequena busca na internet já resulta em uma série de tutoriais, vídeos e fóruns discutindo o uso deste sensor em estações caseiras e aplicações de internet das coisas. A mesma busca feita em portais como Periódicos CAPES1 e Lume retornam poucos trabalhos. Alguns discutem a construção de sistemas de monitoramento agrícola ou científico, pesquisas relacionadas com o conforto térmico em edifícios e principalmente o monitoramento da umidade no concreto. Foram encontrados apenas dois trabalhos que discutem o desempenho do sensor DHT22 em relação as medidas de umidade relativa do ar: Alves (2018) e Mota et al. (2018) .
Na comparação de mediadas de umidade relativa do ar de uma estação meteorológica automática do INMET com medidas feitas pelo sistema EMM – mesmo sistema de aquisição usado no presente trabalho - usando um DHT22 dentro de um abrigo comercial multipratos, Alves (2018) concluiu que a diferença das respostas dos sensores é significativa. As diferenças médias de cada hora alcançaram máximos de 14,41% e permaneceram acima de 5% durante 2/3 do dia. Naquele trabalho foram coletadas 338 medidas em 14 dias.
Na pesquisa de Mota et al. (2018), o sistema analisado, chamado de SMTU, é baseado em Arduino e utiliza um DHT22 dentro de um abrigo meteorológico de baixo custo feito com um cano PVC e pratos plásticos. A comparação com a estação do INMET de Santa Maria (RS, Brasil) foi feita por apenas 4 dias. Nos gráficos apresentados é possível verificar visualmente que a diferença na umidade relativa do ar alcança máximos entre 10% e 20%, mas não foi feita uma análise mais completa sobre estas variações.
Discussões e pesquisas informais encontradas na internet indicam que mesmo para aplicações simples os usuários do sensor não estão satisfeitos com as medidas de umidade relativa do ar do DHT22. Kimberly e Robert Smith publicaram em seu blog pessoal diversas pesquisas e testes com o DHT22 e com outros higrômetros. Suas pesquisas foram realizadas em ambiente de temperatura e umidade controlados durante o período de 1 ano. Suas conclusões indicam que mesmo em medidas de curta duração (1 semana) a temperatura constante as medidas apresentam um erro de 6%. Já para um período de operação de 1 ano, pelo menos um dos sensores apresentou um erro de até 20%. Ao longo do tempo a precisão dos sensores também variou. Alguns sensores apresentaram autoaquecimento, o que causou erro nas medidas de temperatura e umidade relativa do ar. Outro importante fator exposto nestes trabalhos é que a variação de temperatura por si só causou um erro nas medidas superior a 2% (Smith & Smith, 2018).
Já para temperatura, Alves (2018) encontra que o quadrático médio de 0,3°C, e que as diferenças médias por horário variaram entre 0,3°C a 0,2°C, concluindo que as diferenças entre temperatura medida e de referência não são estatisticamente significativas. O sistema desenvolvido por Mota et al. (2018) superestimou a temperatura durante todo o dia. O trabalho não detalha as diferenças de temperatura, pois foca as medidas de umidade relativa do ar. Como o abrigo utilizado era artesanal (de baixo custo), não é possível indicar se as diferenças de temperatura estavam associadas ao abrigo ou ao sensor.
Todos os trabalhos citados foram publicados em 2018. Não foi encontrado nenhum trabalho anterior a estes. Isso pode ser um indício de que mais pesquisas com DHT22 surgirão no futuro próximo, mas reforça a necessidade de que estudos mais extensos sejam feitos com o sensor DHT22 assim como outras alternativas de baixo custo.

Referências

  • ALVES, L. S.. Ciência cidadã por meio das estações modulares: construindo as condições para um monitoramento meteorológico colaborativo. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil, 2018. Disponível em http://hdl.handle.net/10183/177609, último acesso em Julho de 2018.
  • MOTA, W. N.; J. ALVES, J.,;EVANGELISTA, A. W. P.; CASAROLI, D.. SMUT – Sistema de baixo custo para aquisição de temperatura e umidade relativa do ar para manejo de irrigação. Revista Engenharia na Agricultura, V.26, n.01, p.89-99, 2018. DOI: https://doi.org/10.13083/reveng.v26i1.897 .
  • O casal Kimberly e Robert andaram realizam boas caracterizações do sensor DHT22.
  • A Marina registrou suas conclusões sobre estes trabalhos na tarefa #531

Medidas de temperatura e umidade relativa do ar

A temperatura, do ponto de vista termodinâmico, é uma grandeza física da mensurabilidade das transferências de energia térmica entre sistemas na forma de calor e da segunda lei da termodinâmica1. É comumente associada às sensações de frio e calor e exerce influência direta nos sistemas biológicos e ambientais.
A medida de temperatura do ar é sensível ao ambiente que a rodeia: vegetação, solo, presença de prédios e construções nas proximidades, posicionamento, do abrigo meteorológico e outros obstáculos (Lacombe et al., 2011). Por isso, é de extrema importância o registro detalhado do local de medida (World Meteorological Organization, WMO, 2014). Os sensores devem estar situados a uma altura de no mínimo 1,25 m. Não há limite de altura, mas é sugerido que não ultrapasse 2 m. É sugerido que a amostragem de temperatura seja de 20 s . A WMO recomenda que medidas de temperatura tenham a exatidão de 0,2°C e a resolução de 0,1°C (WMO, 2014).
Umidade do ar é a quantidade de vapor de água na atmosfera. Seu valor absoluto é equivalente ao de uma densidade, geralmente dada em kg/m³. Se toda a água contida em 1 m³ de ar for condensada em um recipiente, a massa desta água será a umidade absoluta.
A umidade relativa do ar (Ф) é uma medida relativa definida como a razão percentual entre a densidade de vapor presente (pressão parcial de vapor de água) e a densidade de saturação do vapor no ar (pressão de vapor).
A saturação da água no ar depende da temperatura e pressão do ar, por isso a medida de umidade relativa do ar é fortemente dependente destes parâmetros.
Recomendações das condições de medida de umidade relativa são análogas às de temperatura. A WMO recomenda que medidas de umidade relativa do ar tenham exatidão e resolução de 1% (WMO, 2014).

erro_em_umid_e_temp_do_dht22.png (45,4 KB) Marina de Freitas, 21/06/2018 12:35

Captura_de_tela_de_2018-08-22_12-12-55.png (32,7 KB) Marina de Freitas, 22/08/2018 12:15