APLICAÇÃO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO NA MEDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO NA UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO/ UNIDADE ACADEMICA DE SERRA TALHADA (UFRPE/UAST)

## APLICAÇÃO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO NA MEDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO NA UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO/ UNIDADE ACADÊMICA DE SERRA TALHADA (UFRPE/UAST)

Ana Claudia Davino dos Santos 1 , Luiz Carlos da Silva Junior 2 , Antônio Henrique Cardoso do Nascimento 3 , Mário Henrique Bento Gonçalves e Oliveira 4 , Irlândio de Sá Santana 5 , Rebeca Micaela da Silva 6

- 1 Universidade Federal Rural de Pernambuco, aclaudiadavino@gmail.com
- 2 Universidade Federal Rural de Pernambuco, junior\_sofisica@hotmail.com
- 3 Universidade Federal Rural de Pernambuco, tonyagronomia@gmail.com
- 4 Universidade Federal Rural de Pernambuco, mario.oliviera@ufrpe.br
- 5 Universidade Federal Rural de Pernambuco, irlandio-i-10@hotmail.com
- 6 Universidade Federal Rural de Pernambuco, rebecamicaela35@gmail.com

## Resumo

A falta de conectividade da Física com as ciências agrárias provoca dificuldade na assimilação dos principais conceitos físicos, gerando desânimo no estudo da matéria. Percebe-se que em sua grande maioria os alunos têm como uma das principais dificuldades do curso de ciências agrárias as cadeiras do ciclo básico (Física e Matemática). Pensando nisso, objetivou-se com esse trabalho construir circuitos com a Placa Arduino, que permitem medir a umidade do solo de maneira automatizada e entender o comportamento dos princípios de um capacitor de maneira experimental, possibilitando que os alunos envolvidos no trabalho tenham um contato mais profundo com assuntos que normalmente teriam muitas dificuldades, como: eletromagnetismo, lógica de programação e Física do solo. Para atingirmos tais objetivos foi desenvolvido capacitores que funcionaram como sensores de umidade do solo. Esses capacitores consistem de dois condutores isolados através de um material chamado dielétrico, para construção das placas foi utilizado o alumínio e para o dielétrico utilizou-se gesso e madeira por serem materiais porosos, proporcionando absorção dos fluidos contidos no solo, o que irá ocasionar uma variação na diferença de potencial (DDP) do capacitor. Para armazenar os dados de leitura do potencial e interpretá-los como porcentagem da umidade acumulada pelo solo foi usada uma placa Arduino uno, a mesma fez a conexão entre o conceito físico abordado em sala e a aplicação como uso prático na agronomia. O sensor capacitivo funcionou captando a variação de DDP, devido à modificação da sua permissividade dielétrica e foi percebido que possui um comportamento inversamente proporcional com umidade, sendo possível monitorar a perda de umidade do solo. Esse trabalho tornou o entendimento da disciplina mais atrativo e eficaz, possibilitando a construção de sistemas de baixo custo voltados ao manejo da irrigação do pequeno produtor rural.

Palavras-chave: Agronomia, Arduino, Capacitância.

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## Introdução

A abordagem da Física nos cursos de ciências agrárias tem gerado muitas dificuldades, que são provocadas principalmente por uma literatura escassa nessa área, na qual encontramos um número reduzido de trabalhos relatando pesquisas feitas onde a Física poderia ser vista na prática das ciências agrárias e de um livrotexto de Física voltado para os alunos de Agronomia. Em geral, vemos que a Física é ensinada de maneira superficial e sem aplicabilidade (NOGUEIRA, 2009). Essa falta de conectividade da Física sendo aplicada nas ciências agrárias provoca dificuldade na assimilação dos principais conceitos físicos, gerando desânimo no estudo da matéria e consequentemente retenção e evasão. Percebe-se que em sua grande maioria os alunos têm como uma das principais dificuldades do curso de ciências agrárias as cadeiras do ciclo básico (Física e Matemática).

Uma possível maneira de promover a quebra da barreira entre as cadeiras do ciclo básico e profissional do curso de Agronomia é o avanço da tecnologia no campo, o mesmo proporciona abertura para pesquisas e adoção de conceitos físicos aplicados de forma prática, tais conceitos, quando aplicados podem gerar estratégias que facilitam a compreensão por parte dos alunos da disciplina de Física do ambiente agrícola. Vários trabalhos como Nogueira (2009), Ovando (2006) e Gomes (2017), têm testificado a crescente interação entre a Física e Agronomia, e tais pesquisas podem ser utilizadas como uma ferramenta para que os alunos compreendam a importância desse conhecimento científico na sua prática profissional.

Este trabalho possui caráter interdisciplinar promovendo aplicações do conceito de capacitores e eletrônica na área de ciências agrárias com ênfase na subárea de irrigação. Possibilitando aos discentes do curso de agronomia a aplicação do conteúdo teórico de forma prática.

A aplicação de maneira prática dos conceitos físicos está associada a evolução nos processos de irrigação, tal evolução tem proporcionado também um alto conhecimento das relações interativas entre a Física e os métodos de irrigação (CRUZ et al., 2010). Esses avanços tecnológicos proporcionam uma série de inovações incluindo recursos computacionais que permitem a adoção de práticas mais eficazes na aplicação da água, utilizando sensores com princípios físicos (sensores capacitivos) (GOMES,2017); (CRUZ et al., 2010). Contudo as tecnologias voltadas ao agricultor familiar ainda ocorrem de forma escassa, geralmente pelo alto custo envolvido na implantação dos sistemas de irrigação e por falta de pesquisas acadêmicas que venham auxiliar o pequeno produtor em sua lavoura. Tais instrumentos que auxiliem o pequeno agricultor são fundamentais, pois a falta ou excesso de água no solo pode trazer implicações graves, o excesso de água pode levar à falta de oxigênio na raiz da planta e ainda causar doenças, assim também, com irrigação insuficiente, a água pode ficar retida fortemente no solo e inibir o crescimento e reduzir a produtividade (EMBRAPA, 2015).

Pensando em auxiliar o pequeno agricultor foi elaborado um sensor capacitivo para medição da água acumulada no solo, tal sensor está baseado na plataforma embarcada Arduíno que será usada como interpretador das leituras advindas do sensor capacitivo (conceito físico aplicado), tais sensores atuaram no

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monitoramento da umidade do solo (aplicação na Agronomia). O Arduino por ser um sistema embarcado possibilita um usuário comum criar seus próprios projetos. Ele possui um microcontrolador capaz de desenvolver inúmeras aplicações de controle, automação e interatividade (CUNHA, 2015).

Seus respectivos sensores, podem auxiliar o produtor a mensurar todos os parâmetros de uma irrigação adequadamente e com valores precisos, como consequência o desperdício de água, energia e produção podem ser evitados (CUNHA, 2015).

Este trabalho teve por objetivo construir circuitos RC com a Placa Arduino, que permitiram medir a umidade do solo de maneira automatizada, e entender o comportamento dos princípios de um capacitor de maneira experimental. Possibilitando que os alunos envolvidos no trabalho tenham um contato mais profundo com assuntos que normalmente teriam muitas dificuldades, como: eletromagnetismo, lógica de programação e Física do solo, motivando os alunos ao aprendizado das mesmas. Fortalecendo a integração e o entendimento da disciplina de Física no curso de Agronomia.

## Descrição do trabalho desenvolvido

## Local De Desenvolvimento Do Trabalho

- O trabalho foi realizado com alunos do curso de Agronomia, no espaço disponibilizado pelo Laboratório de Aquicultura do Semiárido e no Laboratório de Energia, Física e Matemática, pertencente a Universidade Federal Rural de Pernambuco/ Unidade Acadêmica de Serra Talhada (UFRPE/ UAST).

## Contextualização sobre o Arduino para os alunos

Rebelo, Miyahara e Santos (2014), em sua pesquisa acreditam que trabalhar a Física com aplicação em casos específicos do curso de agronomia auxilia no entendimento e aumenta o interesse dos acadêmicos pela disciplina. Com base nisso foi necessário criar um meio de despertar o interesse dos alunos e conectar o conceito físico abordado em sala a uma área específica do curso de agronomia. Com esse intuito foi utilizado o Arduino, uma ferramenta que consiste em hardware com uma plataforma simples e pronta para programação, podendo ser alimentado por uma ligação USB que faz a comunicação com o computador.

Seu Software é baseado na linguagem C/C ++ , entretanto, utilizando uma linguagem mais simples, a linguagem Wiring, para controlar os hardwares. A construção de um circuito RC (sensor utilizado), que consiste em um resistor e um capacitor responsável por captar as variações de potencial que o solo, com diferentes níveis de umidade, proporciona. Essa captação dos diferentes potenciais se deu pelo grau de absorção do seu dielétrico. O uso do Arduino (uma placa de automação juntamente com os seus diversos sensores) é justificado, pois tem facilitado o uso da tecnologia no meio acadêmico (GAIER, 2011).

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## Sistema para Análise dos dados de umidade

O sistema montado (figura 1) foi composto por uma placa Arduino Uno (microcontrolador), que foi responsável por armazenar os dados de leitura do potencial e interpretá-los como porcentagem da umidade acumulada pelo solo, uma protoboard e um módulo com cartão SD para armazenamento dos dados coletados, além de um chip comparador de tensão LM393 que lê os dados disponibilizados pelos sensores e envia para o microcontrolador.

Figura 1: Sistema de aquisição de dados montado pelos alunos.

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## Capacitores e sensores capacitivos

O sensor capacitivo consiste em dois condutores isolados através de um material que é chamado de dielétrico (Figura 2). Para construção dos mesmos foi utilizado o princípio de um capacitor de placas paralelas, esse capacitor é o sensor que mede a diferença de potencial (DDP). Foi utilizado como materiais para construção das placas, o alumínio e para o dielétrico utilizou-se, gesso e madeira por serem materiais porosos, proporcionando absorção dos fluidos contidos no solo, o que irá ocasionar uma variação na diferença de potencial elétrico (DDP) do capacitor. As placas condutoras confeccionadas têm forma retangular de 2 cm de base e 4 cm de altura. A espessura das placas foi de 0,085 mm, sendo revestida com uma fita adesiva isolante, para minimizar a interferência elétrica com o meio. Os dielétricos tiveram a mesma geometria que as das placas com uma espessura de 3 mm.

Figura 2: Desenho esquemático de um capacitor de placas paralelas.

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## Leitura da umidade no solo

Foram utilizados um total de quatro reservatórios, cada reservatório sendo uma caixa plástica revestida internamente com uma manta geotêxtil bidim (para drenagem), seguida por uma camada de 5 cm de brita e mais 5 cm de areia grossa (com diâmetros superiores a 2 mm), usadas para melhorar a drenagem de água no solo. Em cima da brita e da areia grossa, foi depositada outra camada com manta geotêxtil, seguida por uma camada de solo com 8,5 cm de espessura, camada essa que foram instalados os sensores, de forma que cada recipiente continha dois sensores (sensor confeccionado com dielétrico de gesso e o sensor confeccionado com dielétrico de Madeira), além de um Tensiômetro (equipamento utilizado na agronomia para mensurar umidade) para fins de comparação. Em seguida foi colocado mais uma camada de solo com espessura de 13,5 cm, para que o recipiente estivesse totalmente completo. Logo após, o solo foi saturado para que fosse iniciado as leituras de umidade, essas leituras aconteceram uma vez a cada dois dias, durante 11 dias.

## Resultados obtidos

O sensor capacitivo funciona captando a variação de DDP, devido à modificação da sua constante dielétrica, verifica-se na figura 1 (gráfico a e b) que o comportamento da tensão com relação a umidade é inversamente proporcional, ou seja, quando a leitura do sensor acusa 5 V significa que teremos zero de unidade, quando a leitura é de 0,98 V significa que teremos o solo completamente úmido. É possível observar que o sensor com dielétrico de gesso obteve maiores variações nos valores de DDP em relação ao sensor com dielétrico de madeira, essa variação encontrada no sensor com dielétrico de gesso acompanha a variação da umidade ocorrida no solo, significando com isso, que tal sensor é mais indicado para realizar as medições de umidade do solo (DAKER, 1976).

Figura 3: Gráficos das leituras de Tensão versus tempo (dias), ressaltando que as leituras foram feitas a cada dois dias. Gráfico (a) representa as leituras do sensor com dielétrico de madeira e gráfico (b) representa as leituras do sensor com dielétrico de gesso.

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O tensiômetro é um aparelho usado na agronomia para estimar a medida de umidade contida no solo. Na figura 4 é demostrada a variação de tensão do

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tensiômetro conforme a perda de água do solo (com o tempo), no entanto neste caso as maiores tensões correspondem as menores medidas de umidade, ou seja, as grandezas de tensão do solo e umidade são inversamente proporcionais. Sendo assim, o mesmo foi empregado neste estudo para confirmar a variação de água no solo conforme o tempo e validar a eficiência do sensor confeccionado, já que o tensiômetro é o instrumento padrão para realizar essas medições. Na Figura 4, também verifica-se que o aparelho citado apresenta previsões compatíveis com as apresentadas na Figura 3, sendo o mínimo observado na Figura 4 correspondentes ao máximo verificado na Figura 3, e vice-versa, pois a tensão do capacitor é inversamente proporcional à capacitância desse elemento, e capacitância é proporcional à umidade observada.

Figura 4: Gráficos das leituras de Tensão do tensiômetro versus tempo (dias), ressaltando que as leituras foram feitas a cada dois dias.

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## Conclusões

O trabalho desenvolvido mostrou aos alunos do curso de Agronomia da Unidade Acadêmica De Serra Talhada-UFRPE que o entendimento da disciplina se torna mais atrativo e eficaz quando este tem a possibilidade de ser aplicado e que é possível a construção de sistemas de baixo custo voltados ao manejo da irrigação do pequeno produtor rural.

Após a aplicação do trabalho verificou-se que os alunos participantes sentiram-se mais motivados a aprender a disciplina de Física, conseguindo entender a importância da mesma em sua vida profissional, porém para a aplicação do experimento foi necessário um tempo de adaptação dos alunos em relação a linguagem de programação, ou seja, os alunos passaram cerca de três meses para adquirir intimidade com a programação e com as funcionalidades do Arduino. Todo o projeto levou cerca de um ano para sua finalização, após o término do mesmo os discentes ficaram mais atentos aos conceitos físicos e como esses podem ser aplicados para solucionar problemas na área de Agronomia.

## Referências

CRUZ, T.M.L.; TEIXEIRA, A dos S.; CANAFÍSTULA, F.J.F.; SANTOS C.C. dos; OLIVEIRA, A.D.S. de; DAHER, S. Avaliação de sensor capacitivo para o

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monitoramento do teor de água do solo. Engenharia Agrícola , v.30, n.1, p.33-45, 2010.

CUNHA, K. C. B.; ROCHA, R. V. Automação no processo de irrigação na agricultura familiar com plataforma arduíno. Revista Eletrônica Competências Digitais Para Agricultura Familiar , Tupã. v. 1, n. 2, p. 62-74, 2015.

DAKER, A. A água na agricultura; manual de hidráulica agrícola, 3º vol. Irrigação e drenagem. 5. Ed. Rev. e ampl. Rio de janeiro, 1976.

EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUÁRIA. Novos sensores evitam desperdício de água na agricultura e jardinagem , 2015. Disponível em &lt;https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/-/noticia/2546070/novos-sensoresevitam-desperdicio-de-agua-na-agricultura-e-jardinagem&gt;. Acesso em:01/07/2018.

GAIER, M. B. Aprendendo a programar em arduino, 2011. Disponível em &lt;http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfGHEAI/aprendendo-a-programar arduino&gt; Acesso em: 01/07/2018.

GOMES, F. H. F.; CUNHA, F. N. ; LOPES FILHO, L. C. ; VIDAL, V.M. ; SOARES, F. A. L. ; TEIXEIRA, M. B. . Calibração De Um Sensor De Umidade Do Solo De Baixo Custo. Revista brasileira de agricultura irrigada , v. 11, p. 15091516, 2017.

NOGUEIRA, A.L.F.S.; DICKMAN, A.G. Ensino de Física a estudantes de Agronomia: contextualização nas aulas práticas. XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física - SNEF. Vitória, ES. 2009.

OVANDO, M.M. e CUDMANI, L.C. Primeros resultados de uma experiência piloto sobre enseñanza de la Física em carreras de ingeniería agronómica. Investigações em Ensino de Ciências , v.9, n.3, pp.1 -20, 2006.

RABELO, J.F.L.; MIYAHARA, R.Y; SANTOS, E.M. AULAS DE FÍSICA PARA AGRONOMIA: RELATO DE EXPERIÊNCIA. IV Simpósio Nacional de Ciência de Ciência e Tecnologia , 2014, Ponta Grossa.

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