Sensor DHT22¶

• Sensor DHT22
  • Especificações do fabricante
  • Caracterização do sensor
    • Exatidão
    • Repetibilidade
  • Calibração
  • Experiências e comentários de uso

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%)	<+-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. 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.

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

Como essas distribuições não são gaussianas, o valor de desvio padrão mostrado na imagem não faz sentido, não é aplicável. É possível então comparar este comportamento com esperado.

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 histograma é possível ver que todas as medidas se concentram na faixa de -0.5°C e 0.5°C. Isso indica que a exatidão especificada está sendo reproduzida pelos DHTs analisados.
No caso da umidade relativa do ar, a exatidão esperada é de +-2%, com um alcance máximo de +-5%. Pelo histograma é possível concluir que este comportamento não foi reproduzido pelos sensores analisados. Um parte significativa dos dados se concentram entre -2% e 2%, mas outra parte significativa se concentram entre -6% e -2% e outra entre -4% e -8%. Este comportamento indica que os sensores analisados não seguem o comportamento especificado pelo fabricante.

Repetibilidade¶

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. É fácil concluir que esta condição não é satisfeita para o conjunto de sensores. Porém, se analisarmos o comportamento de cada sensor separadamente, a conclusão será diferente.
Como a distribuição de diferenças de cada sensor segue uma distribuição aproximadamente gaussiana, a medida do desvio padrão pode ser usada. Considerando que os valores de cada sensor caem, com 95% de confiança, dentro de um intervalo de + 2 desvios padrões, espera-se que este valor seja próximo a repetibilidade especificada.

Para temperatura:

-	A	B	C	D	E	F	G
Média (°C)	-0.03	0.05	0.13	-0.36	0.30	-0.25	0.16
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

Para a umidade relativa d 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

Nos dois casos, todos os valores de 2 desvios padrões eram menores do que a repetibilidade especificada (+-0.2°C para temperatura, e +-1% para umidade relativa do ar). Isso indica que os sensores DHT não apresentam a repetibilidade especificada entre si, mas que cada um apresenta a repetibilidade especificada.

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..

Para temperatura:

-	A	B	C	D	E	F	G
Média (°C)	-0.03	0.05	0.13	-0.36	0.30	-0.25	0.16
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

Para a 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

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.

Temperatura:

	Offset	Novas Médias	Novos DP
A	-0.03	-0.0032	0.03
B	0.05	-0.0015	0.03
C	0.13	0.0029	0.03
D	-0.36	0.0007	0.03
E	0.30	0.0041	0.04
F	-0.25	-0.0033	0.03
G	0.16	0.0004	0.03

Todas as médias e desvio padrão estão bem abaixo da resolução do sensor, e também da repetibilidade, o que é o esperado. Inclusive, é bem tranquilo afirmar que essas médias são iguais a zero, já que estão muito atrás do último algoritmo significativo - a resolução do sensor é de 0.1°C e 0.1%.
Esses novo conjunto de dados está calibradíssimo.

Umidade Relativa do Ar:

	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

O mesmo já não pode ser afirmado sobre o a umidade relativa do ar. 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.

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

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 len