Sistema autônomo para manejo de irrigação usando energy harvesting baseado em microsprinklers e sensores de umidade de solo com um único transistor bipolar encapsulado em um bloco cerâmico poroso

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Costa, Eduardo Ferreira da, 1982-
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1634319
Resumo: Orientadores: José Antonio Siqueira Dias, Luís Fernando Caparroz Duarte
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spelling Sistema autônomo para manejo de irrigação usando energy harvesting baseado em microsprinklers e sensores de umidade de solo com um único transistor bipolar encapsulado em um bloco cerâmico porosoAutonomous systems for irrigation management using energy harvesting based on microsprinklers and soil humidity sensors with single bipolar transistors embedded in a porous ceramic blockSolos - UmidadeAgricultura de precisãoAgricultura e tecnologiaTransistores bipolaresColheita de energiaSoil - MoisturePrecision agricultureAgriculture and technologyBipolar transistorsEnergy harvestingOrientadores: José Antonio Siqueira Dias, Luís Fernando Caparroz DuarteTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O crescimento populacional e escassez dos recursos hídricos aumentam a demanda por comida e mostram a necessidade de uma agricultura mais eficiente para a produção de alimentos. Dessa forma, existe a necessidade do uso da irrigação associada à tecnologia, para aumentar a produtividade da plantação, fornecer os insumos em quantidade correta (agricultura de precisão) e reduzir o impacto ambiental (desperdício de água e de energia elétrica). A agricultura de precisão necessita de sensores de umidade de solo confiáveis e precisos para que esta informação sirva de subsídio para o manejo da irrigação, cujo requisito de precisão deve ser de, tipicamente, 1% na faixa de umidade de solo de 5% a 40%. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema completo de controle de irrigação, autônomo e de baixo custo, que integra: um sensor de umidade, uma válvula d'água, um módulo de energy harvesting baseado em um microgerador instalado no topo de um microaspersor e um circuito baseado no LTC3108 que carrega um supercapacitor. O sensor de umidade de solo de ponteira simples (SHPP) desenvolvido neste trabalho para medir a quantidade de água no solo é baseado na técnica de pulso de calor e usa um único transis-tor bipolar, encapsulado em um bloco poroso, que funciona como elemento de aquecimento e sensor de temperatura. O bloco cerâmico poroso utilizado para medir o potencial matricial do solo não reduziu a eficiência energética do sensor e resolveu o problema de contato térmico entre o solo e o sensor. O protótipo laboratorial do sensor foi testado na faixa de umidade de 6% a 46,4% e apre-sentou uma variação de temperatura de 'delta'T = 2,9 ºC para um solo saturado ('teta'v = 46,4%), apresen-tando uma sensibilidade de S = 0,025 ºC/% na região de menor sensibilidade do sensor. O circuito de condicionamento de sinal de ultrabaixa potência pode ler a temperatura do sensor com uma resolução de aproximadamente 0,026 ºC, e 'teta'v pode ser lido em incrementos de no mínimo 1%. A energia do pulso de calor do sensor é de aproximadamente 0,8 J e o consumo médio de corrente do sistema completo (sensor e circuito de condicionamento de sinal) é de apenas 3,7 µA, demonstrando a sua adequação para ser alimentado por sistemas de energy harvesting. Quando alimentado apenas por um supercapacitor de 2 F do sistema de energy harvesting, o circuito de interrogação é capaz de realizar, durante 11 dias, uma medição de umidade no solo por dia, sem a coleta de energia através do movimento rotacional do microaspersorAbstract: Population growth and scarcity of water resources increase the demand for food and show the need for more efficient agriculture for food production. Thus, there is a need to use of irriga-tion associated with technology, to increase crop optimization, provide inputs in correct quantity (precision agriculture) and reduce environmental impact (waste of water and electricity). Precision agriculture requires reliable and accurate soil moisture sensors for this information to be used as a resource for irrigation management, whose accuracy requirement should typically be 1% in the soil moisture range of 5% to 40%. In this work, we developed a complete irrigation control system, autonomous and low cost, which includes: a soil moisture sensor, a water valve, an energy harvesting module based on a micro generator installed on top of a mi-crosprinkler and a circuit based on the LTC3108 that loads a supercapacitor. The soil moisture sensor (SHPP- Single Heat Pulse Probe) developed in this work to measure the amount of water in the soil is based on the heat pulse technique and uses a single bipolar transistor, encapsulated in a porous block, which functions as a heating element and tem-perature sensor. The porous ceramic block used to measure the soil matrix potential did not reduce the energy efficiency of the sensor and solved the problem of thermal contact between the soil and the sensor. The laboratory prototype of the sensor was tested in the humidity range of 6% to 46,4% and presented a temperature variation of 'delta'T = 2,9 ° C for a saturated soil ('teta'v = 46,4%), present-ing a sensitivity, in the lowest sensitivity region, S = 0,025 °C/%. The ultra-low power signal conditioning circuit can read the temperature of the sensor at a resolution of approximately 0,026 ° C, and 'teta'v can be read in 1% increments. The energy of the sensor heat pulse is approximately 0,8 J and the average current con-sumption of the complete system (sensor and signal conditioning circuit) is only 3,7 µA, demon-strating its suitability to be powered by energy harvesting systems. When powered only by a su-percapacitor of 2 F of the energy harvesting system, the interrogation circuit is able to perform, for 11 days, a measurement of soil moisture per day, without energy harvest through the rotation-al movement of the microsprinklerDoutoradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaDoutor em Engenharia Elétrica[s.n.]Dias, Jose Antonio Siqueira, 1954-Duarte, Luís Fernando Caparroz, 1980-Ferreira, Elnatan ChagasMorais, Flávio José de OliveiraSerran, Nivaldo VicençottoFrança, Maria Bernadete de MoraisUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASCosta, Eduardo Ferreira da, 1982-20182018-07-30T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (72 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1634319COSTA, Eduardo Ferreira da. 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