Desenvolvimento de Soluções Sustentáveis e Tecnológicas: Projetos Arduino para Aplicações Ambientais Científicas e Educacionais

Desenvolvimento de Soluções Sustentáveis e Tecnológicas: Projetos Arduino para Aplicações Ambientais Científicas e Educacionais. Mateus M. B. Ribeiro1 ,Wesley M. L. da Silva2 INPE, Cachoeira Paulista, SP Rosemary A. O. Lima3 ,Antonio M. V. Campos4 INPE, Cachoeira Paulista,SP Resumo O presente artigo descreve o desenvolvimento e um caso de teste em uma estação meteorológica de baixo custo utilizando componentes como o microcontrolador ESP32 e sensores de baixo custo HTU21D (umidade e temperatura) e o BMP280 (pressão). O principal objetivo é oferecer uma solução de baixo custo e precisa para a coleta de dados meteorológicos, buscando aplicações em ambientes educacionais e de pesquisa. A metodologia incluiu a construção de um datalogger com módulos RTC e SD Card, e a instalação da estação em um abrigo meteorológico para comparar seus dados com os de uma estação profissional. Os resultados demonstraram que a estação de baixo custo apresentou uma correlação interessante com a de referência para temperatura e pressão, mas com uma diferença notável nos dados de umidade, que atingiu valores supersaturados. As análises das diferenças entre as estações indicaram valores médios de 0,13°C para temperatura, 8,26%UR para umidade e -0,48 hPa para pressão. O estudo conclui que a estação de baixo custo pode ser uma ferramenta promissora para análises climáticas e serve como base para futuros aprimoramentos e projetos educacionais. 1 Introdução No atual contexto climático e ambiental, pode se perceber mudanças climáticas cada vez mais acentuadas, na meteorologia e em outras áreas de estudos ambientais as estações meteorológicas são ferramentas indispensáveis para gerar dados e posteriormente analisá-los identificando quais foram as mudanças no meio ambiente, porém uma das dificuldades encontradas ao utilizar estações meteorológicas é o custo elevado e o difícil acesso, assim se tornando uma ferramenta de difícil acesso em algumas instituições. Visando identificar uma alternativa que pudesse solucionar essa complicação foi proposto o desenvolvimento de uma estação meteorológica de baixo custo, utilizando placas como Arduino e/ou Esp-32, e aplicando nas escolas e outras instituições através do Programa Educação, uma iniciativa no CPTEC-INPE para desenvolver e compartilhar as estações meteorológicas de baixo custo. 2 Metodologia Com a solução de baixo custo, inicialmente foram realizados testes em uma placa Arduino Uno, onde o baixo limite de memória não permitia a construção de um datalogger completo, assim, foi escolhido o 1[email protected] 2wesley[email protected] 3rosemary[email protected] 4[email protected] 2 Esp-32 como placa principal. Juntamente com o controlador, foram escolhidos sensores de baixo custo, como o BMP 280 para aferir pressão local e pressão referente ao nível do mar onde de acordo com seu fabricante com a faixa de 300 a 1100 hPa com a precisão de ± 0.12 hPa[1], e o sensor HTU21D para aferir a temperatura entre -40 e +125ºC, com precisão de ±0.3ºC e a umidade relativa do ar de 0 a 100%UR, com precisão de ±2%UR[3]. Em conjunto com os sensores que capturam dados das variáveis climáticas, foram empregados módulos ao ESP-32, sendo um deles o RTC (Relógio de Tempo Real), que é responsável por armazenar e exibir as informações de data e hora. Embora o microcontrolador possua um RTC interno, este não se revelou eficaz, apresentando falhas na ausência de uma rede disponível. Também um módulo SD card foi utilizado para armazenar todos os dados aferidos pela estação de baixo custo, permitindo assim registros em longos períodos sem a necessidade de uma rede Wifi. Dessa forma, a construção de um datalogger com um microcontrolador que funciona como cérebro realizando as funções programadas, o SD Card como um HD, onde todos os dados serão armazenados e por fim, um modulo RTC separado, com robustez para que não haja falhas ao requisitar dados de dia e hora, proteção contra queda de energia e trabalhando de forma sem depender de uma conexão com rede, permitindo instalar a estação em locais distantes de acesso à rede. Buscando comparar os dados da estação meteorológica de baixo custo com os dados de um modelo de estação profissional, foi instalado um abrigo meteorológico ao lado da estação de comparação no prédio do CPTEC – INPE em Cachoeira Paulista, assim, permitindo mensurar os dados no ambiente exterior sem riscos de danos por radiação solar, chuva e outros. Figura 1. Local de testes entre a Estação de Baixo Custo com a estação Romiotto 3 Resultados Após alguns testes, houve a primeira falha referente ao RTC, quando utilizado apenas o RTC próprios do microcontrolador o qual depende do protocolo Network Time Protocol (NTP) e há a necessidade de rede, sendo essa a razão da primeira falha, foi identificado o erro e adicionar um modulo relógio próprio, podemos perceber com os gráficos da Figura 1, o teste que durou quinze dias mostrando que os dados da estação de baixo custo se mantiveram com uma curva próxima a estação de comparação, onde pode ser visualizado a diferença entre ambas na Figura 3. 3 Figura 2. Gráficos de Comparações Figura 3. Gráfico resultante da diferença entre a estação de comparação e a estação de baixo custo Figura 4. Tabela com as estatísticas das diferenças entre as estações Analisando as diferenças entre as estações, apresentadas na Figura 4, indicam uma diferença média na temperatura de aproximadamente 0,13°C e na pressão de -0,48 hPa, com desvios padrão de 1,81 e 0,76, 4 respectivamente, na umidade relativa do ar, a estação de baixo custo superestimou 20,9%UR em um pico e subestimou 31,7%UR, tendo em média 8,26%UR de diferença. Figura 5. Dados Isolados da Estação de Baixo Custo Figura 6. Dados Isolados da Estação de Comparação Romiotto Comparando os dados isolados apresentados na Figura 5 e Figura 6, a observação principal ficou na umidade que em alguns pontos passou de 100% chegando a 119%UR, o que é um valor fora do ideal, mostrando que o sensor supersaturou a medida em alguns momentos, onde algumas possibilidades podem explicar, como uma falha na calibração do sensor ou em seu funcionamento, outra possibilidade é o abrigo não possuir a parte inferior aberta, podendo acumular umidade e tornar os valores menos precisos por não permitir um fluxo maior de ar e umidade, dificultando o acumulo ou diferença nas temperaturas reais [2]. 4 Discussão Com o estudo realizado, é possível considerar que o desenvolvimento de uma estação meteorológica principalmente quando levado a aplicações em ambientes institucionais como já feito pelo Programa Educação do INPE, pode ser um grande aliado em disseminar conhecimentos e aplicações na área de Meteorologia, Programação e Eletrônica. 5 Conclusão A estação meteorológica de baixo custo, citada ao decorrer do artigo, mostrou-se uma ferramenta eficaz e acessível para a coleta de dados meteorológicos. A análise comparativa com uma estação profissional mostrou um desempenho interessante para as medições de temperatura e pressão, com desvios médios e desvios padrão aceitáveis. A principal limitação observada foi a divergência significativa nos dados de umidade, que chegou a registrar valores acima do esperado, indicando a necessidade de futuras investigações sobre a calibração do sensor ou testes diversificados em busca de outros possíveis resultados. A implementação de uma solução de datalogger com RTC externo e SD card provou ser essencial para um bom funcionamento do sistema, permitindo uma coleta contínua de dados sem conexão com a internet. O projeto busca validar a viabilidade de estações de baixo custo para o uso em instituições de ensino e pesquisa, contribuindo para a disseminação de conhecimentos em meteorologia, eletrônica e programação. A pesquisa também sugere um caminho para o aprimoramento contínuo dos sensores e componentes, incentivando o desenvolvimento de novos projetos na área. 5 Referências [1] B. BMP280 BOSH. BMP280 Digital Pressure Sensor. Online. Acessado em 20/09/2025, https: //makerhero.com/img/files/download/BMP280-Datasheet.pdf. [2] Ismael Luiz Hoppe, Amanda Comassetto Iensse, João Paulo Delapasse Simioni e Cássio Arthur Wollmann. “Comparação entre um abrigo meteorológico de baixo custo e a estação meteorológica oficial no INMET”. Em: Anais do Congresso de Meteorologia (2015). Aceito. [3] TE Connectivity Ltd. HTU21D(F) RH/T SENSOR IC Digital Relative Humidity sensor with Temperature output. Online. Acessado em 20/09/2025, https : / / www . alldatasheet . com / datasheet-pdf/view/880699/TEC/HTU21D.html.