Monitoramento de Parâmetros Climáticos em SilosAgrícolas com Arquitetura Inteligente

Wagner Roberto Balsani JPaulo Estevão Cruvinel 2André Torre-Neto 2

IUSp - Escola de Engenharia de São CarlosDepartamento de Engenharia Elétrica

Av . Dr . Carlos Botelho 1465 Caixa Postal 359 CEP 13560-250 São Carlos SP - Brasil

lEMBRAPA - Empresa Brasileira de Pesquisa AgropecuáriaCNPDIA - Centro Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento de Instrumentação AgropecuáriaRua XV de Novembro 1452 Caixa Postal 741 CEP 13560-970 São Carlos SP - Brasil

(correspondência: cruvinel@cnpdia. embrapa. br )

Abstract: This article describes an architecture and a digital data transmission protocol dedicated tothe monitoring of climatic parameters of grain bins and dryers. The architecture uses distributedprocessing and intelligent instrumentation based on the 80535 microcontroller. The protocol is basedon both the RS 485 multipoint serial communication standard and the HART protocol . Today,approximately 20% of the Brazilian production of grains is lost during the processes of transportationand storaging. The use of this system allows measurements and modelling in bins and dryers ,

Resumo: Este artigo descreve a arquitetura e um protocolo de transmissão de dados digitais dedica-dos ao monitoramento de parâmetros climáticos em silos e secadores de grão s. A arquitetura usa pro-cessamento distribuído e instrumentação inteligente baseada no microcontrolador 80535 . O protocoloé baseado no padrão de comunicação serial multi ponto RS 485 e no protocolo HART. Atualmente,aproximadamente 20% da produção brasileira de grãos é perdida durante os processos de transporte earmazenamento. O uso de tal sistema permite medi ções e modelamento de silos e secadores.

IntroduçãoDiagnósticos da agropecuaria moderna mostram quecomputadores, eletrônica, microeletrônica e equipa-mentos mecanizados têm sido aplicados objetivandouma maior produtividade com menor custo buscandoinclusive a minimização do impacto ambiental.Indicadores mostram que a tendência nas próximasdécadas será a aplicação em massa da eletrônica e dacomputação na agricultura, com vistas à agricultura deprecisão [Cruvinel (1992), Schepers (1994), Torre-Neto et al. (I 997a , 1997b)] .

No Brasil , atualmente , cerca de 20% da produçãonacional de grãos é perdida durante a armazenagem eo transporte . Sabe-se entretanto , que é possível reduzirestas perdas, bastando para isso corrigir o sistema dearmazenamento e escoamento das safras produzidas.Assim, a melhoria dos sistemas de tratamento econservação de grãos, como por exemplo no caso dos

silos e dos secadores agrícolas, com a aquisiçao emedida confiável dos dados das variações climáticascertamente contribuirão para minimizar grande partedos problemas de armazenamento com a deci sãootimizada do processo de aeração. A compre-ensão noprocesso de secagem de produtos agrícolas emsecadores ou em silos requer principalmente omonitoramento da temperatura e umidade do produto,além do que a quanti ficação destas variáveis se faznecessária para a validação de modelos matemáticosde simulação que visam obter as condições adequadaspara a estocagem e a secagem de grãos.

O monitoramento da temperatura dos grãos durantesua arm azenagem em silos é útil para detectar áreas deaquecimento da massa armazenada. Portanto, se faznecessário o modelamento térmico de silosarmazenadores de grãos para que se possa, dentreoutras coisas, determinar-se pontos ideais de mediçãode temperatura, para se obter um eficiente monito-ramento durante o período de armazenagem, bem

202

como sistemas instrumentais de monitoramentoconfiáveis que permitam não só medição pontual mastambém a avaliação de per fis de gradientes térmicos.

Dois dos principais fatores que governam a qualid adede grãos durante o seu armazenamento são atemperatura e a umidad e. Teores de umidade relativaentre 12% e 14% são considerados seguros para oarmazenamento de grãos de cerea is por um período deaté um ano após o processo de secagem dos mesmos.Variações na temperatura ambiente podem causar amigração ou redist ribuição de umidade fazendo comque estes índice s de teor de umidade se torneminseguros [Alagusundaram ( 1990)] . O au-mento doteor de umidade locali zado pode causar o crescimentode fungos e insetos que algumas vezes produ zemtoxinas que tornam os grãos prejudiciais ao consumohumano . Temperaturas entre 15°C e 38°C favorecem odesenvolvimento de inseto s e ácaros , sendo que atemperatura ótima para o seu desenvol-vimento estáem torno dos 30°C. A natureza qualitativa equantitativa da migração de umidade depend e defatores, tais como o tipo e a qualid ade do grãoarmazenado, o tamanho do armazém e as condi çõesclimáticas. O planejamento e a gerência doarmazenamento requerem predição e entendimento doprocesso de migração de umidade sob diferentescondições climáticas dos grão s. Esta predição pode serobtida através da análise de modelo s matemáticos.Entretanto, uma alternativa mais próxima à realidade emais abran gente é a pred ição através de modelosmatemáticos associados a procedimentos experimen-tais. Model os matemáticos podem ser usados paraestudar o comportamento da temperatura no interiorde um silo como uma função do tamanho do silo, domaterial da parede do silo e da localização geográficado mesmo . O sentido inverso de análise também épossível , no qual através de per fis térmic os desejadosdetermina-se as características físicas do silo. Váriosmodelos matemáticos unidimensionai s, bidimensi o-nais e também tridimensionais têm sido desenvol-vidos [Muir (1970), Converse et al. (1973), Yaciuk etal. (1975), Muir et al. ( 1980), Metzger e Muir (1983),Longstaff e Banks (1987), Whit e ( 1988), Manbeck eBritton (1988), Khankari ( 1994), Alagusunda ram( 1990)), sendo que estes últimos podem predizer combom nível de precisão o efeito do aquecimento de umaregião na massa de grão que a circunda. Khankari em1994 desenvolveu um modelo de temperatura eumidade para silos de grãos através da discretizaçãoda equação de balanço de energia na forma de entalpiapor unidade de volume de grão e da equação deconservação da umidade do grão sobre uma unidadede volume de grão . As equações de transporte de calore de umidad e são casadas, não lineare s, instáveis eenvolvem propriedades de transporte variávei s.Patanka r (1980, 1991) so lu-cionou estas equações

numericamente através de um esquema de volume decontrole, através do qual a conservação de umidade,energia e momento são exatamente satisfeitas. Nessemétodo as formulações matemáticas envolvidas nãoobscurecem o significado físico de cada termo naequação governante.

Entretanto, observa-se na literatura uma lacuna no quetange a arquiteturas de sistemas ded icados para omonitoramento climático de silos de forma aincorporar e realimentar os modelos de previsão econtrol e disponíveis, para atuação em tempo real, bemcomo de protocolos de comunicação para atransmissão de dados neste tipo de ambiente. Torre-Neto (1995 ) desenvolveu um protocolo para comuni-cação em ambiente de campo para dados edafo-ambientais, observa-se, entretanto, a necessidade daadequação de protocolos a ambiente de silos esecadores agrícolas. Protocolos de comunicaçãoconsistem de uma série de regras cuja finalidade éassegurar que a informação a ser trocada entre duas oumais unidades esteja sendo enviada e recebidacorr etamente, de modo que não haja diferença entre osdados enviados e os dados recebidos [Atk.inson(1987)].

Neste trabalho apresentamos o desenvolvimento deuma arquitetura inteligente baseada em proces-samento distribuído com unidades destinadas àaquisição e medidas de temperatura e umidade emsilos para grãos. O sistema possibilita pré-processamento da informação e controle dos processosde aeração. Adicionalmente foi defin ido um protocolode comunicação de dados para ambiente agrícoladistribuído, dedicado a silos e secadores de grãos.Resultados mostram que o sistema encontra aplicaçãoem procedimentos de conservação da qu alidade degrãos durante o período de armazena-mento esecagem.

Materiais e MétodosUma das características importantes em se imple -mentar inteligênci a através de micro controladores estána simplicidade de hardware, visto que estecomponente apresenta vários dispositivos típicos numúnico circu ito integrado, evitando o árduo processo dedesenvolvimento e detecção de erros. Outras vanta-gens são o seu reduzido tamanho físico e a facilidadede desenvolvimento de sof tware de aplicação, vistoque existem ferramentas de desenvolvimento compre-ensivo para a maioria das famílias de microcon-troladores , tornando esta etapa rápida e de baixo custo[Howell (1990), Louro (1995)].

A arquitetura aqui apresentada é baseada nomicrocontrolador 80535, que é de 8 bits sendo um

203

Entrada e Saídade Dados Seriais

Figura I - Diagrama de blocos dos módulos de aquisiçãode dados e hospedeiro utilizados no sistema.

Barramento de Dados

Barramento deEndereços

Os módulos de aquisição e hospedeiro são oriundos deplacas projetadas identicamente com o objetivo de seobter maior flexibilidade na manutenção dos mesmos,onde adicionalmente aos blocos apresen-tados naFigura I pode-se ainda acoplar displa y e tecfado paraoperações locais.

apr esentação de dados, quando desejado, na forma derelatórios ou visualização de mapas térmicos ou deumidade de grãos em silos através de interface gráficana forma de imagens digitais. A existência de ummódulo hospedeiro evita a necessidade de se ter umsist ema computacional constantemente dedicado aomonitoramento dos silos.

A memória de programa que contém a programaçãoque rege o funci onamento do sistema emprega duasEPROMS de 32 Kbytes alcançando, desta forma, acapacidade máxima de endereçamento do micro-controlador 80535, que é de 64 Kbytes. A memória dedados utilizada para a gravação de dados de aplicaçãodo sistema, dados estes que após serem processadosnos módulos de aquisição são transferidos para omódulo hospedeiro, emprega duas RAM de 32 Kbytes.O circuito de acesso à memória utiliza um latch paracaptura do byte de baixa ordem do endereço dememória (de programa ou de dados), pois o 80535utili za a porta PO tanto para saída de endereço (byte debaixa ordem) como para entrada e saída de dados. Estedispositivo é então utilizado para multiplexar notempo o endereço estabelecido pelo microcontroladorcom a entrada/saída de dados e a leitura/escritarespectivamente. O circuito de interface serialpossibilita a comunicação entre os módulos utilizandopara isto um transceptor RS485.

As principais características do microcontrolador80535 são memória RAM interna de 256 bytes, 6portas de 8 bits, resultando 48 linhas de lIO, 3temporizadores / contadores de 16 bits , sendo umdesses temporizadores com capacidade de recarga,captura, e comparação, uma porta serial [ull-duplex,12 fontes de interrupção com 4 níveis de prioridade,um conversor analógico/digital de 8 bits, tempori zadorwatchdog de 16 bits, alimentação para 40 bytes deRAM no caso de falha elétrica, processador booleano,locações endereçáveis por bit , maioria das instruçõesexecutadas em lus, capacidade de endereçamento deespaço de memória de programa externa de 64K ecapacidade de endereçamento de espaço de memóriade dados externa também de 64K [AMD (1988)].

aprimoramento do micr ocontroludor 8051. Elemantém todas as características operacionais do 8051,incorporando algumas melhorias que resultam emaumento da flexibilidade de seu uso para projetosdedicados .

o protocolo de comunicação para o sistema demonitoramento de parâmetros climáticos em silosagrícolas utilizando arquitetura inteligente baseada emprocessamento distribuído utiliza o padrão decomunicação serial multiponto RS-485 desenvolvidopela Electronics lndustry Association (ElA) em 1983.Uma vez que a ElA especificou apenas as caracterís-ticas elétricas do RS 485 , desenvolveu-se para esteprojeto um protocolo baseado, em nível de comandos,no protocolo HART (Highway Addressable RemoteTransducer). Como características o protocolo desen-volvido apresenta enlace físico feito através de partrançado de fios , transmissão de dados utili zando ocódigo ASCII, relações assimétricas do tipo mestre eescravos, operando no mod o poll/response, isto é, ·osescravos somente transmitem mensagens em resposta acomandos do mestre. Neste sistema o mestre érepresentado pelo módulo hospedeiro enquanto que osescravos são os módulos de aquisição.

Resultados e DiscussãoA Figura I ilustra o diagrama de blocos dos módulosde aquisição e hospedeiro do sistema. Cada um dosmódulos de aquisição de-dados é capaz de monitorar 8sensores de temperatura ou de umidade do grão . Onúmero de módulos presentes no sistema distribuído élimitado pelo tamanho do campo de endereçosdestinado à identi ficação dos mesmos, campo estepresente no frame utilizado pelo protocolo decomunicação. Os dados adquiridos são pré-processados nos próprios módulos de aquisição antesde serem enviados ao módulo hospedeiro do sistema.Este hospedeiro é conectado a uma plataformacomputacional , por exemplo um PC compatível , para

204

A Figura 2 apresenta em diagrama de blocos aarquitetura projet ada para o monitoramento deparâmetros climáticos em silos agrícolas baseada emprocessamento distribuído.

8 sensores detemperatura ouumidade dos grãos

8 sensores detemperatura ouumidade dos grãos

8 sensores detemperatura ouumidade dos grãos

Figura 2 - Arqui tetura inteligente baseada em processa-mento distribuído para sistemas de monitorame nto deparâmet ros climát icos em silos agríco las.

o protocolo é direc ionado por byte e a estrutura dof rame projetado tem o aspecto mostrado na Figura 3.

IQ : Início de Qu adro I hyte : ( * ).EN : Enquiry I bvte :

( ?) hospedeiro para módulos de aqui sição.( @ ) módu los de aquisição para hospedeiro.

EO -: Endereço de Orig em 2 bvtes.ED : Endereço de Destino 2 hytes. .CM : Comando 1byt«.ST : Status I byte.CB : Contad or de Bytes de Dados 2 bytes: (00 li FF) .DADOS : até 255 bvtes,CS : Check-S um 2 bvtcs (00 a FF).FQ : Fim de Quadro I bvte : ( # ).

Figura 3 - Aspec to doframe do protocolo de comunicação.

No fra me projetado, para os campos início de quadro(IQ) e fim de quadro (FQ) são utilizadosrespectivamente os caracteres " "' '' e " # " . Nocampo enquiry (EN) emprega-se o carac tere " ? "quando a mensagem é enviada do módulo hospedeiropara os módulos de aquisição, e o caractere" @ "quando a comunicação se dá no sentido inverso.

Nos campos de endereços (EO e ED) pode-se terendereços particulares de identificação ou endereçosuniversais. Estes últimos são enviados como endereçode destino pelo hospedeiro quando se deseja funções

globais, tais como reset, ajuste de data e hora, iníciode aquisição, entre outras . Neste caso não são envia-das respostas dos módulos de aquisição para o hospe-deiro a fim de se evitar conflito no barramento. Estescampos foram projetados com tamanho de 2 bytes paratransmitir dois caracteres (00 a FF) sendo pos-síveldesta forma endereçar até 255 módulos , incluindo opróprio hospedeiro , um endereço univer-sal e algunsendereços reservados a possíveis procedi-mentos demanutenção.

No campo de comandos (Clví) tem-se as opções:R reset de módulo de aquisiçãoI iniciar aquisiçãoT ajustar data e horaS enviar pacote de dados de aquisições.L enviar dados da última aquisição.A sinal de reconhecimento enviado por um desti-

natário após encerr amento da,comunicação.

o campo de status (ST)contém informação a respeitodo estado dos sensores dos módulos de aquisição. Ocampo contador de bytes de dados é usado paracontrole de comunicação e informa o comprimento docampo de dados (DADOS).

O campo de dados (DADOS ) quando do envio dedados de um modulo de aquisição para o módulohospedeiro do sistema foi projetado com a seguinteconcepção :data/hora I, medições referentes aos sensores Oa 7.data/hora2, medições referentes aos sensores Oa 7.data/hora3, medições referentes aos sensores 0 a 7.

data/horaN, medições referente s aos sensores Oa 7.

O campo de check-sum também é um campo decontrole e informa o valor da soma dos campos que oantecedem dentro do frame, com exceção dos camposinício de quadro (IQ) e enquiry (EN).

Também foram projetadas funções que podem seracessadas via teclado do módulo hospedeiro dosistema, tais como reset geral do sistema, ajuste dedata e hora, inicialização de aquisição, visualização daúltima série de aquisições de determinado módulo nodisplay do hospedeiro e envio de dados para aplataforma computacional.

ConclusõesApresentou-se neste trabalho o projeto de umaarquitetura baseada em process amento distribuído paramonitoramento de parâmetros climáticos em silosagrícolas. Este sistema possibilita o acompa-nhamento

205

das va riações de tem peratura e umi dade dos grãos nointeri or de s ilos. Ad iciona lment e foi aprese ntado umprotoc olo para a comunicaçã o de dados em ambient ede sil os e secadores agrícol as , o que possibilita a trocade informações entre as d ive r-sa s unid ades cominteligênc ia loc al e a aq uisição de dados por ummódulo hosped ei ro , o qu al também favo rece ações decontro le.

o uso de um sistema desenvo lv ido nes ta co nce pçãodiri ge ações que culminam na redução e fetiva dovolume de perdas de grãos por moti vos de armazen a-mento inapropriado, a lém de forn ecer dad os para arealiment ação de mod elos de s imulação possibilitand oa visu ali zação e o acompanhame nto de perfis deparâmetros c limá ticos dos silos através do uso deimagen s.

Referências BibliográficasK. Al agu sundararn , D . S . Jayas, N. D. G. Whi te , W . E.

Mui r. Finite diff erence model aI' three-dimensional heat trans fer in grain bins.Canadian Ag ricultura! Engin eerin g. Ouawa.V.32 , Pp.315 -321, 1990.

AMD - Advance d Micro De vic es. Micro controllerHandbook . Sunnyvale - Cali fornia. 1988.

J . K. Atki nso n. Communicat ion s protocols ininstrumentat ion. Journal of Physi cs E:Scient ific lnstruments. Br istol. V.20, Pp .484-49 1,1987 .

H. H. Con verse, A . H . Graves, D . S. Chung. T rans ientheat transfer within wheat sto red . in acylindrical bin . Transactions of the ASAE. SI.Jo seph. V.16, Pp .129 -133, 1973.

P . E. Cruvinel. Electroni cs as an importam tool formodem agriculture and the ex pe rie nce 01' theNu cleu s 01' Research and Developmen t 01'Agricultural Instrumentat ion (N PDIA-EMBRAPA), In : II Escuela Latin o Ame ricanade Fisica de Su elos, 16-27 de Marzo, 1992.Buenos Ai res - Arge nti na , 13p .

HART Communicat ion Foundation. Austin - Texas .HART fi eld comniun ications protocolo Au stin,[1991 ?].7p.

K. Howell , T . D. S. Hamilton . Intelligentinstrumentation . . Measurement Science &Technology. Woodbury. V. I, Pp .1265-1273.1990.

K. K. Kh ankari , R. V. Morey, S . V. Patankar.Math ern atical model for mo is ture diffus ion insto red gra in due to tern perature gradie nts.Tran sactions of the ASAE, SI. Joseph. V .37 ,W .5, Pp.1591 -1604 , 1994 .

R. A. Longstaff, H . J . Banks. Simulation 01'temperature fl uc tuations near the surface 01'gra in bulks. Journal of Stored Products

Rcsearch , Elms ford,.V.23, Pp .21-30 , 198 7 .A. H. F. Lou ro . Projeto de um sis tem a inteligente

baseado no microcontrolador 80535 paraaquisição de dados e controle em ambienteag ropecuário. Dissertação de Mestrad o -Uni versidade Fed eral de São Carl o s - Cen tro deC iências Exatas e de Tecnologia, 158p. , 1995 .

H. B . Manb eck, M . G . Britton . Predicti ons of bin wa llternperature decl ines. Transact ions of theASAE, SI. Joseph. V.31 , Pp .17 67 -1773, 1988.

1. F. Met zger, W . E. Muir. Computer model of twodimensional conducti on and forced co nvect ionin stored grain . Canadian Ag riculturalEng ineering ;Ottawa. V.25, Pp .119-125, 1983 .

W . E. Muir. Ternperature in grain bins . CanadianAg ricultura! Engin eering , Ottawa . V.12, P-p.21 -24, 1970.

W . E. Muir, B. M. Fraser, R. N . Sinha . Simulat ionmodcl 01' two dimensio na l heat tran sfer incont roll ed atmos phere gra in bin s. In: Sh ejbal ,J. ed . Controlled atmosphere storage ofg ra ins, Am sterdam : El sevier. Pp .385 -397,1980 .

S. V. Pat ankar, Numerical hem transfer and fluidflow. New York : Hemi sphere , 1980.

S. V. Patan kar. Computa tion of conduction and duct1101v hem transfer. Mapl e Grove : Inno va tiveResearch , 1991 .

J. S. Sch epers. New diagnostic tools for t issue testing.Con imunica tion in Soil Science and PlantAn alysis, New Yor k. V.25 , W 7/8, Pp.817-826,1994 .

A. Torre-Neto. Estudo e implementação de umsistema de monitoramento remoto de variáveisedafo-amb ientais . Tese de Doutorad o - USP -Instituto de Físic a de São Carl os, 152p. , 1995.

A. T orre-Neto, P .E. Cruvinel , J . F. W . Sl aets , S .C restana, Rem ote mon itoring 01' e nv ironrnenta lvariables for modelling of pesti cid e transp ort insoi l. Applied Engineering in Agriculture, SI.Joseph. V .13 , WI, Pp 115-122 , 1997 .

A. Torre-Neto, P. E . Cruvinel , R. Y. Inamasu, S.Cr estana. Tecnol ogias de ponta na ag ric ultura:ins trumentação e automação para a agriculturade precisão. Ana is do XXVI Congre ssoBra sileiro de Enge nha ria Agrícola. 2 1-25 deJulho de 1997. Campina Grande - Paraíba. Pp75- 95 .

G. G. Whi te . Temperature cha nges in bulk sto redwhea t in sub-tropica l Austra lia . Journal ofS tored Pro du cts Research, Elmsford. V .24 ,Pp .5-l I , 1988.

G . Yaciuk, W . E. Mui r, R. N . Sinha. A simulationmodel 01' ternperatures in stored gra in. Journalof Agricultural Englneering Research , London.V .20 , Pp .245-258, 1975 . .

206