Sistema para Coleta e Armazenamento de Dados Meteorológicos, Notas de estudo de Engenharia Informática
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Sistema para Coleta e Armazenamento de Dados Meteorológicos, Notas de estudo de Engenharia Informática

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Dada a importância da medida temperatura e umidade em sistema meteorológicos, construiu-se um sistema microcontrolado de baixo custo de hardware e software livre como uma alternativa para suprir a necessidade de monitoramento destas variáveis meteorológicas. Esse sistema foi construído utilizando uma plataforma de hardware open-source e um sensor de umidade e temperatura de alta precisão. Avaliou-se o sistema através de regressão linear entre o dispositivo construído, a estação meteorológica da UNIFEI e instrumentos convencionais como termômetros de máxima e mínima e higrógrafo de cabelo nas condições de um ambiente protegido e de campo, no período de 15/08/13 à 02/09/14 na Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, MG. As correlações apresentaram coeficientes de determinação de 0,99 e 0,94 para temperatura máxima, 0,98 e 0,96 para temperatura mínima para as condições de ambiente protegido e de campo, respectivamente. Para umidade relativa do ar obteve-se um coeficientes de determinação de 0,80 em campo. Isto demostrou boa precisão e exatidão na determinação de umidade relativa do ar e temperatura, visto o ótimo desempenho na convergência dos dados mensurados aos instrumentos citados, possibilitando estudos agrometeorológicos com baixo custo.
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Resumo— Dada a importância da medida temperatura e

umidade em sistema meteorológicos, construiu-se um sistema

microcontrolado de baixo custo de hardware e software livre

como uma alternativa para suprir a necessidade de

monitoramento destas variáveis meteorológicas. Esse sistema foi

construído utilizando uma plataforma de hardware open-source e

um sensor de umidade e temperatura de alta precisão. Avaliou-se

o sistema através de regressão linear entre o dispositivo

construído, a estação meteorológica da UNIFEI e instrumentos

convencionais como termômetros de máxima e mínima e

higrógrafo de cabelo nas condições de um ambiente protegido e de

campo, no período de 15/08/13 à 02/09/14 na Universidade

Federal de Itajubá - UNIFEI, MG. As correlações apresentaram

coeficientes de determinação de 0,99 e 0,94 para temperatura

máxima, 0,98 e 0,96 para temperatura mínima para as condições

de ambiente protegido e de campo, respectivamente. Para

umidade relativa do ar obteve-se um coeficientes de determinação

de 0,80 em campo. Isto demostrou boa precisão e exatidão na

determinação de umidade relativa do ar e temperatura, visto o

ótimo desempenho na convergência dos dados mensurados aos

instrumentos citados, possibilitando estudos agrometeorológicos

com baixo custo.

Palavras chave— Agrometeorologia, Arduino, Open-source,

firmware.

I. INTRODUÇÃO

A temperatura e umidade relativa do ar são um dos principais

elementos meteorológicos de grande importância, pois tem

fundamental importância em todo processo produtivo agrícola

e nas condições de vida do nosso planeta. Essas medidas são

utilizadas em vários estudos agrometeorológicos e

climatológicos, os quais são frequentemente baseados em

instrumentos convencionais segundo a Organização

Meteorológica Mundial (OMM).

As medições de umidade do ar são feitas por vários

tipos de instrumentos, como os psicrômetros, mostrado na

figura 1, um dos instrumentos mais antigos e ainda utilizados

Figura 1 – Psicrômetro

que se baseiam nas leituras de um termômetro de bulbo seco e

de um bulbo úmido, viabilizando assim o cálculo da umidade

relativa do ar pela diferença de temperatura e os higrógrafos,

que utilizam a medida da variação de uma propriedade física

de um material relacionada com a mudança da umidade do ar

que move sobre um cilindro giratório, registrando

continuamente a umidade relativa.

Já o termômetro é o instrumento mais comum de

medida da temperatura, sendo de mercúrio o mais utilizado,

onde o mesmo se expande de maneira uniforme, e assim

possível aferir medidas de temperatura entre -30ºC e +320ºC

(PIRES, et al.,2006). Para aferir medidas de temperatura

máxima e mínimas são necessários termômetros específicos,

os chamados termômetros de máxima e de mínima. O

termômetro de máxima utiliza o mercúrio como elemento

sensível sendo constituído de um dispositivo próximo ao

bulbo, de modo a impedir o retorno do mercúrio, fazendo-o

marcar a maior temperatura atingida (SILVA, 2000) e

termômetro de mínima que possui o álcool como seu elemento

sensível, onde é encontrado um pequeno indicador móvel, em

forma de haltere, introduzido no meio do liquido, que devido

força de tensão superficial, nunca atravessa o menisco e,

portanto, acompanha o extremo da coluna quando a

Sistema Open-Source para Coleta e Armazenamento de Dados

Meteorológicos.

Wellington Cássio Faria

Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel

wellingtonf@gec.inatel.br

Fabrina Bolzan Martins

Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI

fabrinabm@gmail.com

Evandro Luís Brandão Gomes

Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel

evandro@inatel.br

Cleverson Henrique Freitas

Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI

sonhfreitas@gmail.com

temperatura desce, marcando assim a menor temperatura diária

(SILVA, 2000; PIRES et al., 2006).

Estes instrumentos possuem alta confiabilidade em

suas medições, porém apresentam algumas desvantagens: a

primeira delas é a necessidade de um observador

meteorológico para efetuar as leituras, e o segundo é por

apresentar custos elevados. Outros problemas ao se utilizar

instrumentos convencionais são: o psicrômetro não é tão

preciso em temperaturas abaixo de 0ºC, devido à formação de

gelo sobre o bulbo úmido, o higrógrafo necessita de

calibragem frequente, pois o cabelo perde a sua propriedade

elástica ao decorrer do tempo. Os termômetros são frágeis e

inábeis em registros automáticos de dados, onde o termômetro

de mercúrio apresenta uma difícil leitura, uma resposta lenta e

o mercúrio é uma substância venenosa que expõem riscos a

segurança e ao ambiente, além disso, o termômetro de álcool

não é tão preciso como o de mercúrio, devido à suscetibilidade

do álcool à evaporação e pela separação por capilaridade

quando exposto às altas temperaturas, danificando o

instrumento.

Assim, o objetivo deste trabalho foi construir um

dispositivo microcontrolado de baixo custo e com alta

precisão, seguro para coleta e armazenamento de dados

meteorológicos cujo desempenho foi comparado com

instrumentos convencionais atualmente utilizados e

aconselhados pela Organização Meteorológica Mundial

(OMM).

II. MATERIAL E MÉTODOS

Para construção deste dispositivo microcontrolado

com o intuito de coletar e armazenar dados meteorológicos foi

escolhida à plataforma de desenvolvimento Arduino que inclui

uma placa com entradas e saídas digitais e analógicas, que

permitem diversos tipos de aplicação, tais como: robótica,

segurança, sistemas dedicados, entre outras. Além da placa, o

Arduino conta com um ambiente de desenvolvimento (IDE)

que pode ser baixada gratuitamente no site www.arduino.cc, a

qual permite a programação da placa utilizando a linguagem

C/C++, uma das linguagens de programação mais populares

do mundo. Esta plataforma conta ainda com uma intensa e

larga comunidade ao redor do mundo que troca informações,

permitindo a popularização e avanço da mesma. Devido a sua

facilidade de utilização, o Arduino está conquistando até

pessoas que não possuem familiaridade com eletrônica ou

computação.

A. Funcionamento do Dispositivo

O dispositivo construído para coleta e armazenamento

de dados meteorológicos é composto de um hardware

microcontrolado e um software embarcado. O mesmo é capaz

de medir a temperatura e umidade do ar, calcular o ponto de

orvalho e registrar a cada trinta minutos a data, hora,

temperatura atual, temperatura máxima, temperatura mínima,

umidade atual, umidade máxima, umidade mínima e ponto de

orvalho, respectivamente, em um cartão SD. Além disso, o

dispositivo possui um LCD, display de cristal líquido, e dois

botões que possibilitam ao usuário consultar o calendário, a

hora, a temperatura e a umidade atual, mínima e máxima, além

de poder reiniciar os valores máximos e mínimos registrados

de temperatura e umidade e também configurar o calendário e

hora. O dispositivo também possui um mecanismo de proteção

caso haja uma queda de energia, toda vez que algum dado de

temperatura, umidade ou tempo é alterado, o dispositivo

armazena o novo dado em sua memoria EEPROM, e quando o

dispositivo é realimentado recupera os últimos dados salvos na

EEPROM, evitando assim a perda dos dados de máximos e

mínimos registrados devido à falta de energia. As

funcionalidades do dispositivo estão descritas no diagrama de

caso mostrado na figura 2.

Figura 2 - Diagrama de Caso de Uso do Dispositivo

B. Hardware

No âmbito eletrônico o termo "hardware" é bastante

utilizado na área de computação, e se aplica à unidade central

de processamento, à memória e aos dispositivos de entrada

(Sensor) e saída (LCD). O termo "hardware" é usado para

fazer referência a detalhes específicos de um dispositivo

eletrônico. Os itens que compõem o hardware são descritos na

tabela 1. TABELA 1

TABELA DE DESCRIÇÃO MATERIAIS UTILIZADOS.

Quantidade Descrição

1 Placa Arduino UNO R3

1 Sensor de Umidade e Temperatura RHT03

1 LCD 16X4

1 Resistor 1KΩ

1 Cartão SD

1 Shield de Cartão SD

2 Mini Push Button Switch

1 Fonte de Alimentação ou Bateria

23 Jumpers de Diversos Tamanhos e Cores

1 Protoboard 1280 pontos

O Arduino Uno, mostrado na Figura 3, é uma placa

baseada no microcontrolador ATmega328 de 8 bits e de alta

performance. Este possui 14 pinos digitais de entrada ou

saída, dos quais 6 podem ser usados como saídas PWM e 6

entradas analógicas, além de canais de interrupção e

temporizadores. Algumas características podem ser

encontradas na tabela 2.

Figura 3 - Arduino UNO R3

TABELA 2

CARACTERÍSTICAS DA PLACA ARDUINO UNO R3.

Característica Grandeza

Tensão de operação 5 V

Tensão de entrada recomendada 7 a 12 V

Tensão de entrada limite 6 a 20 V

Pinos digitais 14 pinos

Pinos analógicos 6 pinos

Corrente máxima dos pinos de entrada e saída 40 mA

Memoria flash 32 KB

SRAM 2 KB

EEPROM 1 KB

Clock 16 MHz

O RHT03, mostrado na figura 4 é um sensor de

umidade e temperatura de baixo custo com uma interface

digital de um fio. O sensor já é calibrado e é necessário um

resistor de 1kΩ ligado no pino de saída do sensor para a

tensão de alimentação, conforme mostrado na Figura 5. Esse

sensor realiza medições imediatas de umidade relativa e

temperatura com confiabilidade e estabilidade. Seu tamanho

pequeno, seu baixo consumo e sua distância de transmissão de

cem metros permite a utilização do mesmo em diversas e

severas ocasiões.

Figura 4 - Sensor RHT03.

Figura 5 - Diagrama Elétrico do Sensor RHT03

Na tabela 3 encontram-se alguns dados técnicos do

sensor RHT03.

TABELA 3

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO SENSOR RHT03.

Característica

Tensão de operação 3,3 a 6 V

Elemento sensível Capacitor de polímero

Faixa de operação Umidade 0 a 100% RH

Temperatura -40 a 80 Celsius

Precisão Umidade +/ -2% RH (Max +/- 5% RH)

Temperatura +/- 0,5Celsius

Resolução ou sensibilidade Umidade 0,1% RH

Temperatura 0,1Celsius

Repetitividade Umidade +/- 1%RH

Temperatura +/- 0,2Celsius

Histerese +/- 0,3% RH

Estabilidade em longo prazo +/- 0,5%RH/ano

O LCD ou display de cristal líquido, mostrado na

Figura 6 é um painel fino usado para exibir informações por

via eletrônica. Esse é responsável por mostrar as informações

para usurário do dispositivo, como a temperatura e umidade.

Figura 6 – Display de LCD.

O Push button ou Botão de pressão, mostrado na

Figura 7 é um dispositivo utilizado para controlar

uma máquina ou processo. Esse botão tem o mesmo

funcionamento que o interruptor elétrico, fechando ou abrindo

o circuito elétrico. A partir dos dois botões existentes no

dispositivo o usuário pode controlá-lo.

Figura 7 - Mini Push Button Switch.

O Shield de cartão SD V4.0 da Seeedstudio é

mostrado na Figura 8. Ele é encaixado sobre a placa Arduino

UNO, expandindo a função de gravação e leitura em um cartão

SD. Este shield suporta cartões de memória tipos SD, SDHC e

Micro SD e faz uso dos pinos digitais 4, 11, 12 e 13

da placa Arduino Uno. Algumas características técnicas estão

disponíveis na tabela 4.

Figura 8 - Shield de cartão SD V4.0 Seeedstudio.

TABELA 4

ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DO SHIELD DE CARTÃO SD V4.0 SEEEDSTUDIO.

Característica Mínima Ideal Máxima

Voltagem 3,5v 5v 5,5v

Corrente 0,159 mA 100 mA 200 mA

Tipo de cartão suportado

Cartão SD (<= 16G)

Cartão Micro SD (<= 2G)

Cartão SDHC (<= 16G)

Para esse experimento foi utilizado um cartão SD de

4GB. Observou-se que cada gravação que ocorre de 30 em 30

minutos possui um tamanho médio de 48bytes, portanto o

dispositivo é capaz de armazenar 4,8 mil anos de dados.

O Protoboard é uma placa com furos e conexões condutoras

para montagem de circuitos elétricos experimentais conforme

mostra a Figura 9. A grande vantagem é a facilidade de

inserção de componentes, uma vez que não necessita

soldagem. As placas variam de 800 até 6000 pontos, tendo

conexões verticais e horizontais. Neste experimento foi

utilizado um portoboard de 1280 pontos.

Na superfície de uma matriz de contato há uma base

de plástico em que existem centenas de orifícios onde são

encaixados os componentes. Em sua parte inferior são

instalados contatos metálicos que interligam eletricamente os

componentes inseridos na placa.

Figura 9 - Protoboard 1280 pontos.

O dispositivo pode ser alimentado através da conexão

USB ou com uma fonte de alimentação externa que é

conectado na placa arduino Uno, conforme a Figura 10. A

fonte de alimentação ou bateria deve ser de 7 a 12 V conforme

especificação vista na tabela 2. O dispositivo consome em

média 3mA, assim se o mesmo for ligado em uma bateria de

carro que fornece 12v/60A, o dispositivo tem energia

suficiente para funcionar por 20 mil horas ou 833 dias.

Figura 10 - Arduino utilizando uma fonte de alimentação externa.

C. Software

O software foi desenvolvido utilizando a IDE

Arduino 1.0.5 que é disponibilizado sob a licença GPLv2 e

pode ser descrito pelo fluxograma detalhado na Figura 11. A

codificação foi realizada no Laboratório de Robótica e

Inteligência Artificial do Instituto Nacional de

Telecomunicações – INATEL, resultando na primeira versão

de teste. Após todo o processo de depuração, através de

melhorias e testes foi obtido a versão final do software que

possui 571 linhas de programação e tamanho de 26,960Kb.

Essa versão consome 84% do total de memoria disponível da

placa Arduino.

Figura 11 - Fluxograma do Software.

O dispositivo recebe os dados de temperatura e

umidade do sensor RHT03 e a partir desses dados é capaz de

calcular o ponto de orvalho, utilizando uma função especifica

para o cálculo conforme ilustra a Figura 12.

Figura 12 - Função para o Cálculo do Ponto de Orvalho.

Para o cálculo do ponto de orvalho foi utilizada a

equação inversa (1) da equação de Teten’s (Tetens, O. 1930.

Z. Geophys., 6:297), onde Td é temperatura do ponto de

orvalho em ºC e ea é a pressão de vapor em kPa, otimizada

para ponto de orvalho em uma faixa de -35ºC a 50ºC, tendo

uma precisão ±0,1ºC dentro deste intervalo.

Para o cálculo de pressão de vapor (ea) foi utilizando

equação (2), onde U é a umidade relativa do ar e a pressão de

saturação de vapor d’agua, e* (hPa).

A pressão de saturação de vapor d’agua (e*) foi obtida

pela equação (3) que é a equação de Goff-Gratch. Onde c é

temperatura do ar em ºC.

Após o desenvolvimento do software foi feito a

integração com o hardware. Para isso foi encaixado o shield

SD na placa Arduino UNO e utilizado os 23 jumpers e um

protoboard 1280 pontos, conforme mostram as figuras 13 e 14.

Figura 13 - Encaixe do Shield SD sobre a Placa Arduino UNO.

Figura 14. Ligações Elétricas do Circuito.

As ligações elétricas estão descritas pino a pino na tabela 5 a

seguir.

TABELA 5

MAPEAMENTO DOS PINOS UTILIZADOS.

Pinos Arduino Ligado em: Cor do Jumper

D0 – Pino Digital 0 Botão 1 Verde

D3 - Pino Digital 3 Botão 2 Verde

D2 - Pino Digital 2 Sinal de Dado RHT03 (Pino 2 do

sensor)

Laranja

D10 - Pino Digital 10 Register Select LCD Azul

D9 - Pino Digital 9 Enable LCD Amarelo

D8 - Pino Digital 8 Data 4 LCD Verde

D7 - Pino Digital 7 Data 5 LCD Cinza

D6 - Pino Digital 6 Data 6 LCD Branco

D5 - Pino Digital 5 Data 7 LCD Marrom

D4 - Pino Digital 4 SD_CS (Shield SD) -

D11 - Pino Digital 11 SD_DI (Shield SD) -

D12 - Pino Digital 12 SD_DO (Shield SD) -

D13 - Pino Digital 13 SD_CLK (Shield SD) -

D. Experimento

As medidas foram feitas na Universidade Federal de

Itajubá - UNIFEI, localizada na cidade de Itajubá, no Estado

de Minas Gerais, Brasil (latitude: 22° 24′ 46″ S, longitude:

45° 26′ 58″ W e altitude: 850m).

O experimento foi realizado em duas fases, sendo a

primeira feita em um ambiente protegido (15/08/2013 a

02/09/2013), uma casa de vegetação pertencente ao Instituto

de Recursos Naturais da Universidade Federal de Itajubá (22°

30’ de latitude sul, 45°27’ de longitude oeste, e altitude: 850

metros), onde foi instalado um abrigo meteorológico que foi

confeccionado e instalado segundo as normas da Organização

Meteorológica Mundial (OMM). No interior do abrigo foi

instalado o dispositivo construído e também instrumentos

convencionais, um termômetro de máxima e um termômetro

de mínima Incoterm para estações meteorológicas analógicas

que possuem um limite de erro de ±0,2ºC e uma escala de -

15ºC à +60ºC e um higrógrafo de cabelo. A segunda fase foi

(1)

(2)

(3)

realizada em uma área de campo (21/12/2013 a 12/01/2014),

onde foi instalado o dispositivo em um abrigo meteorológico,

voltado para o sul, a cerca de 2 metros da estação

meteorológica da Universidade Federal de Itajubá (latitude: S

22 ° 24 ' 49 '', Longitude: O 45°27'7'', Elevação: 848,86 m),

modelo Davis Vantage Pro 2 Plus, equipada com vários

sensores, entre eles: termômetros que apresentam uma faixa

de -40ºC à +65ºC e uma precisão de 0,5ºC e higrômetros que

apresentam uma faixa de 1% à 100% e uma precisão de 3%RH

e 4%RH acima de 90%.

A validação do dispositivo foi feita através da

Regressão Linear Simples, e Coeficiente de Determinação ou

de Explicação (R²) (STANTON, 2001) entre termômetro de

máxima, mínima e higrógrafo nas condições de ambiente

protegido e estação meteorológica em campo.

A regressão linear simples utiliza os coeficientes

linear (A) e angular (B) que revelam a exatidão máxima

quando A=0 e B=1. O coeficiente R² fornece a porcentagem

da variação em Y (variável dependente), que pode ser

explicada pela variação em X (variável independente), ou seja,

o quanto de variação é comum às duas variáveis (LIRA, 2004)

e mostra precisão máxima quando o valor de R² tende a 1.

E. Resultados e discussão

A Figura 15 mostra os valores diários medidos de

temperatura máxima (a) e mínima (b) para o dispositivo

construído e os termômetros de máxima e mínima, em

ambiente protegido. Pode-se verificar uma boa concordância

entre os dados dos termômetros com os dados do positivo

visto que houve uma boa concordância dos mesmos

principalmente aos valores de temperatura máxima além de

apresentarem valores próximos entre as médias de temperatura

máxima (45,75ºC e 44,82ºC) e mínima (14,47ºC e 13,63ºC)

para o dispositivo e termômetros, respectivamente.

Figura 15 - Valores médios diários da temperatura máxima (a) e mínima (b)

do ar para o dispositivo e termômetros específicos, em ambiente protegido.

As equações de regressão e coeficientes de correlação (R²) do dispositivo são apresentadas na Figura 16, para os

termômetros de temperatura máxima (a) e mínima (b).

Analisando-se os coeficientes angulares (B) e os de correlação

(R²) obtidos, pode-se deduzir que a exatidão e a precisão das

medidas de temperatura realizadas pelo dispositivo é relevante

devido à excelente correlação obtida numa abrangente faixa de

variação de temperatura de 9,9ºC a 51,8ºC durante 19 dias em

ambiente protegido.

Figura 16 - Correlação entre valores de temperatura do ar obtidos a partir do

dispositivo e termômetro de máxima (a) e mínima (b) para as condições de

ambiente protegido.

Os valores diários medidos de temperatura máxima

(a) e mínima (b) para o dispositivo construído e para a estação

meteorológica em campo são apresentados na Figura 17, com

valores médios de temperatura máxima do ar de 34,61ºC e

30,59ºC, e de temperatura mínima do ar de 18,79ºC e 18,51ºC,

respectivamente. Os valores de temperatura máxima entre o

dispositivo e os termômetros (contínuos e médios)

apresentaram uma maior concordância entre os dados em

relação aos obtidos na Figura 16, entretanto, a diferença dos

valores de temperatura mínima registrados pela estação e o

dispositivo foi menor a encontrada na Figura 15.

Figura 17 - Valores médios diários da temperatura máxima (a) e mínima (b)

do ar para o dispositivo e estação meteorológica em campo.

Já a Figura 18 mostra as equações de regressão e

coeficientes de correlação (R²) entre o dispositivo e a estação

meteorológica com valores de temperatura máxima (a) e

mínima (b). Avaliando-se os coeficientes angulares (B) e os de

correlação (R²), pode-se inferir que existe uma relação forte

entre ambos os instrumentos, visto que o valor de R² de

temperatura mínima apresentou uma correlação muito forte,

enquanto o de temperatura máxima apresentou uma correlação

forte.

Figura 18 - Correlação entre valores de temperatura do ar máxima (a) e

mínima (b) obtidos a partir do dispositivo construídos e estação

meteorológica em campo.

y= 1,05x - 1,35 R² = 0,99

y = 1,04x + 0,27 R² = 0,98

y= 1,42x+0,76 R² = 0,76

y= 1,12x-2,05 R² = 0,96

Devido à diferença do coeficiente de correlação (R²)

de temperatura máxima em ambiente protegido (0,99) e em

campo (0,76), foi feita uma analise na amostra que apresentava

a maior divergência de temperatura máxima entre o dispositivo

e a estação meteorológica. Essa amostra foi obtida no dia

27/12/2013 às 17h00min quando foi registrada a temperatura

de 40,7ºC e 32,7ºC, respectivamente para o dispositivo e a

estação. Pelo gráfico da Figura 19 que é composto de 144

amostras de temperaturas coletadas a cada 30 minutos, é

possível observar que a temperatura do dispositivo dos dias

26, 27 e 28/12/14 entre às 16h00min e 18h00min apresenta

divergência comparada à estação, enquanto nas demais horas

dos dias apresentaram uma maior convergência. A partir dessa

análise, verificou-se em campo que raios solares incidiam no

dispositivo no período de 16h00min a 18h00min, causando a

divergência de temperatura, os quais afetaram a correlação

entre valores de temperatura máxima do dispositivo e estação

meteorológica em campo.

Figura 19 - Valores médios diários de temperatura do ar para o dispositivo e

estação meteorológica em campo nos dias 26, 27 e 28/12/14.

A figura 20 mostra as equações de regressão e

coeficientes de correlação (R²) do dispositivo e estação

meteorológica dos dias 26, 27 e 28/12/13, descartando as

amostras das 16h00min, 16h30min, 17h00min, 17h30min e

18h00min, as quais foram consideravelmente afetadas pela

incidência dos raios solares. Analisando o coeficiente angular

e os de correlação, pôde-se comprovar a exatidão e a precisão

das medidas de temperatura realizadas pelo dispositivo.

Figura 20 - Correlação entre valores de temperatura do ar para o dispositivo e

estação meteorológica em campo nos dias 26, 27 e 28/12/14, descartando as

amostras das afetadas pela incidência dos raios solares.

Ainda que algumas dessas amostras tenham sido

afetadas pela incidência dos raios solares, obteve-se um

coeficiente angular e coeficiente de correlação (R²) de

profusão que podem ser observados na figura 21.

Figura 21 - Correlação entre valores de temperatura do ar obtidos a partir do

dispositivo construídos e estação meteorológica em campo o período de

21/12/2013 00h29min a 12/1/2014 23h35min, considerando todas as 1103

amostras recolhidas em intervalos de 30 minutos.

A Figura 22 mostra os valores diários mensurados de

umidade máxima (a) e mínima (b) para o dispositivo

construído e higrógrafo de cabelo, em ambiente protegido.

Pode-se verificar uma discrepância entre os dados medidos

entre os instrumentos. Além disso, apresentaram valores

divergentes entre as médias de umidade máxima (72,33% e

91,46%) e mínima (14,59% e 23,30%) para o dispositivo e

higrógrafo de cabelo, respectivamente.

Figura 22 - Variação de umidade máxima (a) e mínima (b) do ar para o

dispositivo e higrógrafo de cabelo em ambiente protegido durante o intervalo

de 21/06/13 a 02/09/14.

As equações de regressão e coeficientes de correlação

(R²) do dispositivo são apresentadas na Figura 23, para

umidade máxima (a) e mínima (b). Analisando-se os

coeficientes angulares (B) e os de correlação (R²) obtidos,

pode-se deduzir a disparidade das medidas de umidade

realizadas pelo dispositivo comparadas ao higrógrafo de

cabelo.

y= x+0,6 R² = 0,94

y= 1,07x - 0,83 R² = 0,90

Figura 23 - Correlação entre valores de umidade do ar máxima (a) e mínima

(b) obtidos a partir do dispositivo construídos e higrógrafo de cabelo em

ambiente protegido durante o intervalo de 21/06/13 a 02/09/14.

Devido a grande discrepância entre os dados

mensurados pelo higrógrafo de cabelo e o dispositivo foi feita

uma verificação detalhada. Para esta verificação utilizou-se o

Coeficiente de Correlação Linear de Pearson (R) e matriz de

p-valores (STANTON, 2001).

A correlação de Pearson ”mensura a direção e o grau

de relação linear entre duas variáveis quantitativas” (MOORE,

2007) variando de -1 a 1e quanto maior o valor absoluto de R

(seja positivo ou negativo) maior será a adesão entre os

valores (SCHNEIDER, 1998). Segundo CALLEGARI-

JACQUES (2003), o coeficiente de correlação pode ser

avaliado qualitativamente da seguinte forma:

se 0,00 < |R| < 0,30 , existe fraca correlação linear;

se 0,30 ≤ |R| < 0,60 , existe moderada correlação linear;

se 0,60 ≤ |R| < 0,90 , existe forte correlação linear;

se 0,90 ≤ |R| < 1,00 , existe correlação linear muito forte.

Para o calculo do Coeficiente de Correlação Linear de

Pearson (R) e matriz de p-valores foi utilizando os dados do

dispositivo e higrógrafo de cabelo em ambiente protegido e

também os dados da estação meteorológica em campo, durante

o mesmo período, 21/08/2013 a 02/09/2013. Segundo

AGUIAR e SILVA (2000), em um estudo do comportamento

da temperatura e umidade relativa do ar dentro e fora de

estufas de polietileno na ausência de cobertura de solo

concluiu que a umidade relativa do ar média e máxima não

apresentou diferença significativa entre os ambientes.

Os valores de correlação R entre os três instrumentos

para umidade média, máxima e mínima são encontrados na

tabela 6. Os dados mensurados pelo dispositivo (D) e pela

estação meteorológica (E) apresentaram maiores valores de R

em todas as variáveis, máxima (0,63), mínima (0,65) e média

(0,85), enquanto entre os valores da estação (E) com o

higrógrafo de cabelo (I), o coeficiente de correlação maior

encontrado foi de 0,42 para umidade máxima, mostrando uma

correlação moderada positiva.

TABELA 6

CORRELAÇÃO ENTRE OS TRÊS INSTRUMENTOS PARA UMIDADE MÉDIA, MÁXIMA

E MÍNIMA.

CORR D x E

MAX MIN MED

0,627148 0,651202 0,849155

CORR D x I

MAX MIN MED

0,422562 0,390202 0,245727

CORR E x I

MAX MIN MED

0,225786 0,386329 0,040226

Foi também feita uma comparação entre os três

instrumentos em horários aleatórios, a fim de avaliar a

precisão entre os dados de umidade. A tabela 7 apresenta a

matriz de correlação Pearson. Se observa uma correlação forte

positiva (0,80) entre os dados do dispositivo (D) e a estação

meteorológica (E), enquanto para os dados do dispositivo (D)

e o higrógrafo de cabelo (H), e entre os dados do higrógrafo

com os da estação, uma correlação moderada positiva (0,45 e

0,49), respectivamente.

TABELA 7

MATRIZ DE CORRELAÇÃO.

Umi D Umi E Umi H

Umi D 1 0,8041356 0,45388255

Umi E 0,8041356 1 0,48778605

Umi H 0,45388255 0,48778605 1

A tabela 8 mostra os valores encontrados a partir da

matriz de P-valores. O p-valor apresenta a probabilidade dos

valores encontrados serem representativos aos parâmetros

populacionais (MOORE, 2007). Adotou-se 5% como nível de

significância, ou seja, α igual a 0,05 e valores de p menores ou

iguais a α, significam que existe uma correlação significativa

entre as variáveis, caso contrario, não haverá associação entre

elas. TABELA 8

MATRIZ DE P-VALORES

Umi D Umi E Umi H

Umi D 1 0,000921386 0,119252161

Umi E 0,000921386 1 0,090842742

Umi H 0,119252161 0,090842742 1

Nas tabelas 6 e 7 pôde-se analisar que o

comportamento descrito por AGUIAR e SILVA (2000) não

foi observado entre o higrógrafo de cabelo e a estação

meteorológica, visto os valores baixos de R. Além disso, o

valor de p (Tabela 8) é maior que o nível de significância,

portanto não é possível afirmar que exista uma relação entre os

dados do higrógrafo de cabelo e estação meteorológica.

Entretanto, observou-se uma grande convergência entre o

dispositivo em ambiente protegido e a estação meteorológica

(4)

y= 27,25x+0,49 R² = 0,045

y= 10,16x+0,19 R² = 0,20

em campo, dada a forte correlação linear de umidade máxima

e média, a qual pode ser comprovada pela Matriz de P-valores

(tabela 8), apresentando valor de p de 0,0009.

Assim, uma das possíveis justificativas encontradas é

que o higrógrafo de cabelo pode estar descalibrado devido ao

longo tempo de uso e/ou pela presença de poeira no cabelo

que pode causar erros de até ±15% nas medidas (WMO,

2008).

Os valores diários medidos de umidade máxima (a) e

mínima (b) para o dispositivo e para a estação meteorológica

em campo são apresentados na Figura 24, com valores médios

de umidade máxima do ar de 97,08% e 94,82% e mínima de

38,60% e 50,93% respectivamente. É possível verificar a

mesma tendência, seja de aumento ou diminuição, entre a

estação meteorológica e o dispositivo.

Figura 24 - Variação de umidade máxima (a) e mínima (b) do ar para o

dispositivo e estação meteorológica em campo durante o intervalo de

21/06/13 a 02/09/14.

As equações de regressão e coeficientes de correlação

(R²) entre o dispositivo e a estação meteorológica com valores

de umidade máxima (a) e mínima (b) podem ser observadas na

figura 25. Avaliando-se os coeficientes angulares (B) e os de

correlação (R²), pode-se inferir que existe uma relação forte

entre a estação e dispositivo.

Figura 25 - Correlação entre valores de umidade do ar máxima (a) e mínima

(b) obtidos a partir do dispositivo construídos estação meteorológica em

campo durante o intervalo de 21/06/13 a 02/09/14.

Ainda pode-se comprovar a profusão das medidos de

umidade do dispositivo na figura 26. Considerando todas as

1103 amostras de umidade coletadas de 30 em 30 minutos no

período 21/12/2013 00h30min a 12/1/2014 23h35min,

obtiveram-se coeficientes angulares (B) e valores de

correlação (R²) altos, sendo possível identificar uma relação

linear entre os dados mensurados pela estação meteorológica e

os do dispositivo.

Figura 25 - Correlação entre valores de umidade do ar obtidos a partir do

dispositivo construídos e estação meteorológica em campo o período

21/12/2013 00h30min a 12/1/2014 23h35min , considerando todas as 1103

amostras recolhidas em intervalos de 30 minutos.

III. CONCLUSÕES

O dispositivo construído pode ser utilizado para

determinação de umidade relativa do ar e temperatura, pois

obteve um ótimo desempenho na convergência dos dados

mensurados aos instrumentos convencionais, não havendo

necessidade de um observador na coleta de dados, visto que o

dispositivo registra automaticamente e continuamente as

variáveis meteorológicas, seja em ambiente protegido ou em

campo. Além disso, possui uma fácil construção e

manutenção, possibilitando estudos agrometeorológicos com

baixo custo de aquisição.

REFERÊNCIAS

[1] Emerson; CUNHA, Antonio Ribeiro da . Avaliação de temperatura e

umidade relativa do ar em estufa com cobertura de polietileno. In: XI

Congresso Brasileiro de Meteorologia, 2000, Rio de Jeneiro - RJ. Anais

do XI Congresso Brasileiro de Meteorologia, 2000.

[2] CALLEGARI-JACQUES, Sidia M. Bioestatística: princípios e

aplicações. Porto Alegre: Artemed, 2003. 255p.

[3] LIRA, S. A. Análise de correlação: Abordagem teórica e de construção

dos coeficientes com aplicações. 2004. Dissertação (Mestrado em

Métodos Numéricos em Engenharia dos Setores de Ciências Exatas e de

Tecnologia) – Universidade Federal do Paraná, Paraná.

[4] MOORE, David S. The Basic Practice of Statistics. New York,

Freeman,2007.

[5] PIRES, D.P.L.; AFONSO, J.C.; CHAVES, F.A.B. A termometria nos

séculos XIX e XX. Revista Brasileira de Ensino de Física, São Paulo,

V.28, n. 1, p. 101-114, mar. 2006.

[6] SCHNEIDER, P.R. Análise de regressão aplicada à engenharia florestal.

2.ed. Santa Maria: Ed. UFSM/CEPEF, 236p., 1998.

[7] SILVA, K.O.; Desenvolvimento de sistema automatizado de baixo custo

para aquisição de dados de umidade relativa e temperatura do ar. 2000.

70p. Dissertação (Mestrado em Física do Ambiente Agrícola) – Escola

Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, Universidade de São Paulo,

Piracicaba, 2000.

[8] STANTON, Jeffrey M. (2001), “Galton, Pearson, and the peas: A brief

history of linear regression for statistics instructors”. Journal of

Statistical Education, 9,3. Disponível em:

http://www.amstat.org/publications/JSE/v9n3/stanton.html, 2001.

[9] TETENS, O., 1930. Uber einige meteorologische Begriffe z. Geophys.

6:297-309.

[10] WMO: World Meteorological Organization. Guide to Meteorological

Instruments and Methods of Observation. Ed 8, 2008.

y= 0,79x+21,76 R² = 0,78

y= 0,84x-4,43 R² = 0,88

y= 1,02x-5,8 R² = 0,80

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