Automação de sistema de irrigação: Sensor de umidade e válvula solenóide

Introdução

Hoje vamos falar de um assunto que interessa muita gente: Sistemas de irrigação. Desde pequenos jardins até sítios e áreas maiores, saber automatizar o seu próprio sistema de irrigação dá flexibilidade e permite que você faça soluções bem customizadas para as suas necessidades. Para esses sistemas, é necessário medir principalmente a umidade do solo e temperatura. Como atuador para liberar a água para os pivôs, é necessário uma válvula. E é claro, um sistema microprocessado para fazer a leitura dos sensores e controlar a válvula de acordo com os níveis de umidade do solo e temperatura

Os dois componentes principais que vamos usar nesse projeto são:

• Módulo Sensor de umidade de solo;
• Válvula Solenóide para entrada de água;

O sensor de solo é uma sonda que mede o nível de umidade da terra. Com ele é possível saber quando é necessário ligar a irrigação para regular a umidade do solo. A válvula solenóide é o componente atuador do sistema. Usamos um sinal de 12V para abrir e fechar a válvula, permitindo a vazão de água ou bloqueando-a.

Módulo Sensor de umidade de solo

O sensor de solo detecta as variações de umidade no local onde a sonda está enterrada. O módulo possui duas saídas, uma analógica e outra digital. A saída analógica é a saída do sensor em si, ela varia de acordo com a umidade do solo. A saída digital é a de um comparador LM393, que fornece apenas níveis altos e baixos. Para controles de precisão maior é recomendado usar a saída analógica, assim você pode escalonar várias faixas de atuação para o seu sistema. Usando a saída digital você faz apenas um controle ON/OFF baseado em dois limites de leitura do sensor.

O princípio de funcionamento é simples. Como você pode ver na imagem abaixo, o módulo possui duas hastes com dois longos contatos cada. Trata-se de um sensor cuja resistência elétrica varia de acordo com a umidade do solo. Assim, quanto mais úmido estiver o solo, menor a resistência do sensor. Quanto mais seco, maior a resistência do sensor.

Hastes sensor de umidade

Com a saída digital(D0), o funcionamento básico é o seguinte: Quando a umidade está baixa(solo seco), a saída fica em nível alto. Do contrário(solo úmido), a saída fica em nível baixo. Um pequeno potenciômetroembutido no sensor é usado para ajustar os limites de referência. O circuito com comparador pode ser visto na imagem abaixo:

Módulo sensor de umidade para solo

Especificações do módulo sensor de solo

As especificações do sensor de umidade são:

•  Tensão de Operação: 3,3-5V;
• Sensibilidade ajustável via potenciômetro;
• Saída Digital e Analógica;
• Led indicador para tensão (vermelho);
• Led indicador para saída digital (verde);
• Comparador LM393;
• Dimensões PCB: 3×1,5 cm;
• Dimensões Sonda: 6×2 cm;

Pinagem:

• VCC;
• GND;
• D0: Saída Digital;
• A0: Saída analógica;

A saída analógica varia de 300 mV a 700 mV em solo úmido e de 700 mV até 950 mV em solo encharcado ou água pura. Em solo seco ou pouco úmido varia de 0 a 300 mV. Ligamos as duas saídas do módulo sensor no arduino para realizar as leituras. Baseado nelas, nós atuamos na válvula solenóide. Recomendamos fortemente a leitura do datasheet do sensor.

Válvula solenóide

A válvula Solenóide é usada para controlar o fluxo de água. Quando alimentada com 12V DC, ela abre e permite a vazão de água. Quando desenergizada, ela fecha e corta o fluxo. Seu funcionamento é baseado em uma bobina(solenóide), que ao ser energizada gera um campo eletromagnética responsável por movimentar o êmbolo da válvula.

Especificações.:

• Tensão de Operação:12V DC
• Material do corpo: termoplástico;
• Partes metálicas: aço zincado;
• Membrana: borracha (padrão);
• Abertura de Entradas: 3/4 polegada;
• Saídas: 3/4 polegada;

A válvula é pequena e simples, ideal para ser usada em jardins e pequenos sistemas de irrigação. Junto com o módulo sensor de solo, é um equipamento ideal para hobbystas e makers.

Aplicações

As aplicações do sensor de umidade e da válvula são principalmente para sistemas de controle de fluxo de água, como:

• Irrigação por gotejamento automatizada;
• Irrigação tradicional  de jardins;
• Irrigação de vasos de planta ou canteiros com plantas sensíveis;
• Controle de fluxo de água;
• Aquisição de dados sobre solo para monitoramento e análises;

Aspectos de Hardware

Para a nossa montagem, vamos precisar dos seguintes componentes:

• Módulo sensor de solo;
• Válvula Solenóide;
• Arduino Uno;
• Fonte externa de 12 V DC;
• Jumpers e cabo USB;
• Módulo Relé 5V;

O módulo relé é usado para acionarmos a válvula solenóide, pois além de arduino operar em 5V, ele não possui potência suficiente para fornecer para a válvula. Se você ainda não sabe como usar o módulo relé, acesse esse post sobre módulos relé e acionamentos de lâmpada com arduino. A montagem é a mostrada abaixo:

Montagem com sensor de solo e válvula solenóide

Aspectos de Software

Vejamos como funciona o software para monitorar o sensor e acionar a válvula solenóide.

Definimos os pinos que vamos usar para leitura e para acionar o relé com três diretivas no início do código. Na função void setup, apenas inicializamos a porta serial para podermos nos comunicar e configuramos as entradas e saídas. A parte principal está na função void loop(). Aqui nós vamos ler as duas saídas do sensor de umidade. A saída analógica nos lemos com a função analogRead(pinoAnalógico) e a saída digital do sensor lemos com a função digitalRead(pinoDigital).

Nós apresentamos os dados da leitura na tela e logo depois fazemos a comparação para saber se devemos fechar ou abrir a válvula. Caso o sensor de umidade esteja em nível alto, significa que o solo está seco, então temos que acionar o relé de forma a abrir a válvula. O relé é acionado então enviando um sinal de GND. Caso o sinal de saída do sensor esteja em nível baixo, significa que o solo está úmido o suficiente e não precisamos mais abrir a válvula. Assim enviamos um sinal de nível alto para o relé desligar o relé e desenergizar a válvula.

#define pinDigital 13
#define pinAnalog 0
#define pinRelay      7

float AnalogOutput = 0;
float voltage = 0;
int LeituraSensor = 0;

// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
  pinMode(pinDigital, INPUT);  
  pinMode(pinRelay, OUTPUT);  
  Serial.begin(9600);
}

// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
  
  AnalogOutput = analogRead(pinAnalog);
  LeituraSensor = digitalRead(pinDigital);
  float voltage = AnalogOutput * (5.0 / 1023.0);
  Serial.println("Sainda analog");
  Serial.println(voltage);
  Serial.println("Sainda digital");
  Serial.println(LeituraSensor);
  
  if(LeituraSensor == HIGH)
    digitalWrite(pinRelay,LOW);
  else
    digitalWrite(pinRelay,HIGH);
    
    
  delay(2000);

}

Repare que nós ligamos o relé na válvula utilzando os pinos de COMUM e NA, ou seja, usamos os contatos normalmente abertos. Caso você use os contatos de normalmente fechado, a sua lógica será um pouco diferente. Para retificar como usar o módulo relé, verifica o nosso post em que explicamos melhor esse componente.

Botando pra Rodar!

Montagem Completa

A saída na interface serial apresenta as seguintes informações:

Veja que na saída da interface serial acima, estamos lendo um valor de 5 mV, o que significa que o solo está seco, com nenhuma umidade praticamente. Por conta disso, a saída digital fica em nível alto, como mostrado na mesma interface.

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Considerações finais

Com essa montagem simples você é capaz de montar um sistema automatizado de irrigação com as próprias mãos. Você pode adaptar os tamanhos dos fios para fazer um sistema melhor para as suas plantas ou jardins. Pode também usar mais de um sensor de solo para poder ter leituras de vários pontos, obtendo um mapa mais preciso da umidade em uma área maior.

Deixe suas dúvidas nos comentários. Até a próxima!