UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSACAMPUS VIÇOSA

CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

RAMON PIMENTEL SALA

ESTAÇÃO DE CULTIVO AUTOMÁTICA UTILIZANDONODEMCU

VIÇOSA2018

RAMON PIMENTEL SALA

ESTAÇÃO DE CULTIVO AUTOMÁTICA UTILIZANDO NODEMCU

Monografia apresentada à Universidade Fe-deral de Viçosa como parte das exigênciaspara a aprovação na disciplina Trabalho deConclusão de CursoOrientador: Ricardo dos Santos Ferreira

VIÇOSA2018

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ResumoAliar um estilo de vida ativo e uma alimentação saudável é tendência na nova geração, porisso, as hortas domésticas e urbanas estão se tornando cada vez mais comuns em grandescentros urbanos.

A vontade de se começar uma existe, mas conciliar o cultivo com uma rotina apertadaacaba se tornando um fardo muito grande e faz com que as pessoas desistam antes mesmode começar. O que faltava então, para que todos pudessem ter suas próprias hortas, eraalguém para ter os cuidados necessários para suprir todas as demandas que as plantaspoderiam ter.

O projeto proposto é uma estação automatizada por meio de um NodeMCU e diversossensores montados que fizessem o trabalho mínimo do dia-a-dia para que as plantas pu-dessem sobreviver, como por exemplo, medir o nível de água na terra, quantidade de luzque o vaso está recebendo, e utilizar estes dados para ou resolver por ele mesmo, ou deixaro dono sabendo o que fazer para solucionar rapidamente o problema.

Palavras-chaves: NodeMCU, automação, cultivo, horta.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Data Flow no Node-RED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Figura 2 – Esquema visual para auxiliar o entedimento de como a estação irá

funcionar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Figura 3 – TSL2561 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Figura 4 – NodeMCU v3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Figura 5 – Sensor de umidade do solo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 6 – DHT22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 7 – Bomba d’água submersa S160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 8 – Esquema elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Figura 9 – Protótipo de testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Sumário

1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1 O cultivo automatizado e as mudanças de hábitos nos centros urbanos . . . 51.2 Estação automática utlizando NodeMCU - o conceito ideal . . . . . . . . . 51.3 Objetivos gerais e específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Referencial Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1 Hortas e suas necessidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 NodeMCU e seus componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Comunicação com a internet por meio do protocolo MQTT . . . . . . . . . 72.4 Node-RED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.5 Protocolo Inter-Integrated Circuit (I2C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.6 Deep Sleep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.1 A estação automática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2 Sensores utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3 Esquema elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.4 Sugestão de montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

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1 Introdução

1.1 O cultivo automatizado e as mudanças de hábitos nos centrosurbanosO hábito de se cultivar plantas em casa vem sendo retomado nos últimos anos,

independente do tipo de moradia, sendo possível até mesmo em pequenos apartamentos.E essa mudança apenas reflete o momento em que os debates sobre meio ambiente e saúdeestão em voga.

Diante do momento em que estamos, e dos debates que estão sendo feitos sobre aretomada do hábito de se cultivar uma parte do seu próprio alimento, foi identificado umproblema para se iniciar a sua própria horta: a falta de tempo. Para se resolver o problemada alimentação saudável, devemos primeiro resolver a falta de tempo dos possíveis novoscultivadores. Como não se pode resolver a vida deles e fazê-los conseguir mais tempo, oplano foi reduzir o tempo e esforço que uma horta caseira toma de seu dono.

A abordagem escolhida para resolver este caso foi a utilização de um NodeMCU, evários de seus componentes e utilidades, para controlar o dia-a-dia de sua própria horta,realizando funções que antes tomariam tempo das pessoas como: regar, verificar se estárecebendo luz suficiente, entre outros.

1.2 Estação automática utlizando NodeMCU - o conceito idealA estação ideal cuidaria de todas as variáveis que giram em torno da vida de uma

planta, como por exemplo: quantidade de luz solar(ou proveniente de lâmpadas específicaspara cultivo), quantidade de água na rega, condição dos nutrientes e substratos na terra,umidade, e temperatura. Ou seja, a estação ideal criaria um micro-ambiente perfeito paraque as plantas possam crescer e explorar sua total capacidade.

1.3 Objetivos gerais e específicosEste trabalho abordará desde técnicas de cultivo até a construção de um protótipo

para experimentos em pequenas hortas criadas para serem compatíveis com o uso doNodeMCU e seus componentes.

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2 Referencial Teórico

2.1 Hortas e suas necessidadesA importância das hortas urbanas está altamente ligada à produção e consumo

de hortaliças de qualidade para suprir as necessidades da pessoa que a cultiva. Ou seja,uma horta é um local onde são realizadas todas as atividades referentes à produção dehortaliças.

Para se ter uma horta é necessário que alguns pontos sejam cumpridos. Estarciente da mão-de-obra para a produção do local em que ela vai acontecer é um deles. Apreparação do terreno recipiente são muito importantes para que as plantas colocadaslá consigam o suficiente para crescerem da melhor forma possível. Verificações do localescolhido devem ser feitas antes da horta ser efetivamente colocada lá, olhar a quantidadede luz solar direta na horta também é uma das informações que o cultivador deve ter emmente.

Neste trabalho não será abordado com muita profundidade sobre a construçãode uma horta, mas é importante ressaltar que para a utilização do sistema a qual estetrabalho se refere, existirão regras a serem seguidas para que o protótipo funcione daforma correta.

2.2 NodeMCU e seus componentesO NodeMCU é uma plataforma criada para utilizarmos a Internet das Coisas. Ele

foi criado a partir da necessidade de se conectar hardware com a rede em pequenos projetosde forma simples e barata. Cada vez mais sendo utilizado em projetos de automação erobótica, é o componente perfeito para nos conectarmos à internet e ainda conseguir fazeras medições da estação.

O módulo ESP-8266-12 junto de uma placa de desenvolvimento nos dá tudo queprecisamos para montar este projeto, ele conta com um conversor serial e regulador de ten-são próprio. É uma boa alusão falar que o NodeMCU é praticamente uma placa Arduinocom acesso à internet.

Como temos um módulo com Wi-Fi, ele será utilizado para movimentar as infor-mações medidas pelos sensores na estação e enviar para o local de armazenamento.

Capítulo 2. Referencial Teórico 7

2.3 Comunicação com a internet por meio do protocolo MQTTO protocolo MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) é o que será utilizado

neste trabalho. Ele foi criado para ser utilizado com sensores e pequenos dispositivos poisé um protocolo bem leve e de baixo custo. É otimizado para redes TCP/IP em que nãopodemos confiar ou que tenham alta latência.

Neste protocolo, temos uma divisão em dois tipos de atores, o Publicador, que éresponsável pelo envio das informações a um tópico, e o Subscritor, que fica aguardandoa chegada de informações no tópico ao qual ele está inscrito.

Para a estação, é válido saber que um servidor na nuvem será nosso Subscritor,ou seja, é quem vai escutar e receber as informações vindas do Publicador e tratá-las,enviando-as para o local definido anteriormente.

2.4 Node-REDOriginalmente criado pela IBM e construído com Node.js, o Node-RED é uma

ferramenta de desenvolvimento criada para conectar dispositivos físicos e serviços online.É muito utilizado em projetos de internet das coisas e hoje faz parte deste mundo. Utilizaruma visualização mais gráfica do fluxo de dados fez com que a criação de aplicações setornasse mais prática e fácil de testar. Hoje em dia, funciona muito bem com o protocolode comunicação escolhido para este projeto, o MQTT.

Figura 1 – Demonstração de desenvolvimento de um dataflow utilizando Node-RED.Neste exemplo, o caminho dos dados desde seu recebimento via MQTT, otratamento dos dados, e então sua postagem final nos gráficos e Twitter.

Capítulo 2. Referencial Teórico 8

Neste projeto, o fluxo de dados foi criado para tratar o recebimento de informaçãovinda do NodeMCU e seus sensores, fazendo com que tudo seja organizado por tipo dedado e também postado no Twitter da estação de cultivo.

2.5 Protocolo Inter-Integrated Circuit (I2C)Este protocolo será utilizado para a comunicação entre os dispositivos da estação.

Foi criado visando simplificar e padronizar as linhas de dados que passam por todos aspeças do sistema fazendo com que tudo fosse reduzido a apenas dois fios: SDA para dadose SCL para o clock. E ele consiste em utilizar o fio SDA para passar os dados entre osdispositivos e o SCL para controlar quando que uma informação pode ou não começar aser transferida.

Para o nosso caso, falaremos sobre o uso do protocolo I2C utilizando o NodeMCUcomo receptor. Para recebermos dados no NodeMCU precisamos de duas coisas: o ende-reço em hexadecimal de cada dispositivo e o número de bytes que a resposta dele terá.Geralmente estas informações estão na folha de especificação de cada sensor, mas casonão, a sugestão é que seja feito um rastreio no circuito por meio de código que nos daráeste dado com precisão.

2.6 Deep SleepVisando uma estação alimentada por baterias e que tivesse uma autonomia con-

siderável, era necessário escolher um dos modos de Sleep do NodeMCU. Dentre eles, oescolhido foi o Deep Sleep. Ao entrar neste estado, praticamente tudo fica desligado, comoo WiFi, CPU e Clock, permanecendo apenas o Real Time Clock para controlar o tempoque o sistema ficará "dormindo". Neste estado, a placa por si só deve consumir cerca de 20microAmpère, o que é uma pequena quantidade comparado ao que se gasta com a placaligada.

Para que o Deep Sleep seja possível, a entrada digital D0 deve ser ligada à entradade RESET para que quando o tempo definido para dormir acabar o NodeMCU possareiniciar e realizar suas tarefas normalmente.

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3 Metodologia

3.1 A estação automáticaO sistema proposto tem por definição cuidar de uma pequena plantação da qual

já sabemos as necessidades e suas formas de se tratar, ou seja, o sistema será enxuto osuficiente para suprir as necessidades da horta citada nos capítulos anteriores.

Quanto aos requisitos básicos a serem supridos, serão utilizados 3 sensores, um detemperatura e umidade do ar, um de intensidade de luz e um para umidade do solo. Paraacionar a o relé ligado à bomba utilizaremos dos intervalos de tempo definidos em código,como o horário para regar, e também, o envio de informações para a nuvem.

Figura 2 – Esquema visual para auxiliar o entedimento de como a estação irá funcionar.

3.2 Sensores utilizadosTodos os sensores que serão utilizados no projeto estarão listados neste tópico:

a) TSL2561:

• Consegue marcar desde 0.0001 a 100,000 lux

O sensor TSL2561 será utilizado para sabermos se a quantidade de luz incidentena plantação é suficiente para que os espécimes sobrevivam e cresçam de formasaudável. Ele transforma sinais luminosos em informação digital para a placa.

Capítulo 3. Metodologia 10

Figura 3 – TSL2561

b) NodeMCU ESP8266:

Figura 4 – NodeMCU v3

• Wireless padrão 802.11 b/g/n

• Antena embutida

• Conector micro-usb

Este módulo Wifi é uma placa que combina três coisas: um chip ESP8266,uma interface usb-serial e um regulador de tensão 3,3V. O utilizaremos juntodo Arduino para executar nossas tarefas.

c) Sensor de umidade do solo:

• Sensibilidade ajustável.

• Fácil substituição e instalação.

Este sensor será usado para testar a umidade do solo. Quando o solo está secoa saída será high e quando úmido, low.

d) DHT22 ADAFRUIT:

• Erro: +- 2 por cento

• Medição de temperatura: -40oC 80oC

• Output: digital

Capítulo 3. Metodologia 11

Figura 5 – Sensor de umidade do solo

Figura 6 – DHT22

O DHT22 é um sensor de temperatura e umidade que nos permite realizarleituras de temperaturas entre -40 a +80 graus Celsius e umidade entre 0 a100. Assim, se tornou um sensor muito fácil de se usar com Arduino e outrosmicrocontroladores pois possui apenas 1 pino com saída digital.

e) MOTOR BOMBA SUBMERSA S160:

Figura 7 – Bomba d’água submersa S160

Capítulo 3. Metodologia 12

• vazão de água máxima: 80 a160 L/h

• coluna d’água: 50cm

• consumo 3,8W

3.3 Esquema elétrico

Figura 8 – Fios, sensores e NodeMCU conectados para o funcionamento da estação.

3.4 Sugestão de montagemA apresentação do esquema elétrico da estação no capítulo anterior foi feito para

que no momento da montagem definitiva seja possível adaptar o projeto para as necessi-dades da horta em que ela será instalada. Mas mesmo com o esquema elétrico em mãos,é necessário que alguns pontos sejam observados na hora da montagem.

A voltagem de saída do NodeMCU é de 3,3V, logo, todo código e fios deverão teruma voltagem em torno dessa para que seja viável o funcionamento da estação e de seussensores da melhor forma possível. Quanto à bomba para irrigação e o relé, é uma boaprática realizar testes para saber aonde e como a bomba será localizada e alimentada,pois ela precisa estar perto suficiente do NodeMCU e também do local da horta.

Com o uso do Deep Sleep nós temos um intervalo de no máximo 30 minutos entre as"sonecas"da estação, por isso, a solução para a irrigação é um pequeno pulso de água(por

Capítulo 3. Metodologia 13

Figura 9 – Protótipo montado utilizando uma protoboard e desconectado da energia. Ape-nas para exemplo.

volta de 2 segundos) para manter uma alta umidade na terra no decorrer de todo o dia.Esse pulso será dado logo após a obtenção dos dados e seu respectivo envio até o servidor.

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4 Conclusão

A cada ano a tecnologia vêm nos dando mais oportunidade para mudarmos omundo a nossa volta. E cada vez mais, a ideia de utilizá-la para unir um estilo de vidasaudável com o dia-a-dia moderno em que o tempo se torna cada vez mais escasso. Épensando em como a Internet das Coisas pode conectar vários aspectos de nossas vidas,que podemos vislumbrar uma estação que seja capaz de nos dar o que precisamos com amenor quantidade de trabalho possível.

A utilização de um microcontrolador como o NodeMCU se dá por conta de seubaixíssimo custo, sua facilidade de prototipação e a quantidade de informações disponível.A ideia de uma estação que nos dê informações suficientes, para que possamos diagnosticare solucionar quaisquer problemas que a horta venha a ter, foi colocada a prova nesteprojeto e percebido que os dados extraídos eram o mínimo necessáario para cobrir osproblemas básicos de uma planta como por exemplo: excesso ou falta de luz, excesso oufalta de água e os extremos de temperatura.

O uso de baterias na alimentação é completamente viável desde que seja utilizadoo modo de Deep Sleep, pois é ele que reduzirá, de forma considerável, o consumo deenergia da estação. E aliar essa estratégia com o acionamento curto da bomba faz comque economizemos ainda mais energia.

Seguindo a tendência de aliar um estilo de vida mais correto e saudável à utilizaçãode tecnologia para solucionar problemas corriqueiros, a estação se mostrou efetiva noque se propôs a fazer: dá informações pertinentes sobre o estado da horta, auxilia nodiagnóstico de problemas e ainda rega o suficiente para que a terra permaneça semprenum nível de umidade suficiente para as plantas.

Para complementar este projeto, a ideia é que possamos adicionar informaçõesvisuais com o intuito de diagnosticar não só de acordo com os dados básicos de tempera-tura, umidade e iluminação, mas também as deficiências e excessos de nutrientes, causasde males que podem afetar o cultivo.

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Referências

BLUM, J. Exploring Arduino: Tools and techniques for engineering wizardry.[S.l.]: Wiley, Indianapolis, 2014.

DELIERRES, M. Another ESP8266 NodeMCU development board. [S.l.], 2013(acesso em 25 de Junho 2018). Disponível em: <https://www.sigmdel.ca/michel/ha/esp8266/doit_nodemcu_v3_en.html>.

DRAGON, E. ESP-12F info. [S.l.], 2017 (acesso em 25 de Junho 2018). Disponível em:<http://www.electrodragon.com/w/ESP-12F_ESP8266_Wifi_Board>.

GAúCHA, G. Retomada do hábito de cultivar plantas em casa refletedebate sobre ambiente e saúde. [S.l.], 2015 (acesso em 10 de Abril 2017).Disponível em: <https://gauchazh.clicrbs.com.br/comportamento/noticia/2015/03/retomada-do-habito-de-cultivar-plantas-em-casa-reflete-debate-sobre-ambiente-e-saude-4718466.html>.

JARDIM, C. do. Manual clube do jardim: horta orgânica doméstica. [S.l.]: GranjaViana: Oficina de jardim, 2013.

JORGE, M. H. A. Como implantar e conduzir uma horta de pequeno porte.[S.l.], 2012 (acesso em 14 de Maio 2017). Disponível em: <ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/item/71563/1/CAR05.pdf>.

MONK, S. Programação com Arduino. [S.l.]: Bookman, 2013.

MQTT Wiki: Github. [S.l.], 2014 (acesso em 11 de Junho 2018). Disponível em:<https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki>.

SITE oficial Arduino. [S.l.], 2013 (acesso em 14 de Maio 2017). Disponível em:<https://www.arduino.cc/>.

SPARKFUN. DHT22 datasheet. [S.l.], (acesso em 25 de Junho 2018). Disponível em:<https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temperature/DHT22.pdf>.

TEAM, N. NodeMCU: An open-source firmware based on ESP8266. [S.l.], 2014(acesso em 11 de Junho 2018). Disponível em: <http://nodemcu.com/index_en.html>.