Classroom Simulations of the Mechanisms of the Water Table Management Modes Using Arduino Microcontroller

Resumo Técnico: Simulações de Sala de Aula dos Mecanismos dos Modos de Gestão do Lençol Freático Utilizando Microcontrolador Arduino

Definição do Problema
O principal desafio abordado nesta pesquisa é a representação pedagógica eficaz dos mecanismos de gestão do lençol freático — especificamente drenagem e subirrigação — em um ambiente de sala de aula. Embora técnicas de sensores inteligentes e sistemas de controle automatizados sejam cada vez mais utilizados em aplicações de campo para o monitoramento da umidade do solo e gestão da irrigação, traduzir esses complexos processos hidráulicos em uma ferramenta educacional acessível, visual e interativa permanece como uma lacuna. Os métodos tradicionais carecem frequentemente da capacidade de simular dinamicamente as relações matemáticas que regem as flutuações do lençol freático (ascensão e queda) em tempo real sem exigir uma infraestrutura física extensa.

Metodologia
O estudo desenvolveu um sistema analógico educacional controlado por um microcontrolador Arduino Uno para simular os modos de drenagem e subirrigação. O núcleo da metodologia baseia-se em um análogo elétrico onde o comportamento hidráulico de uma camada de solo é matematicamente mapeado para os ciclos de carga e descarga de um circuito RC (Resistor-Capacitor).

• Base Teórica: O sistema utiliza a equação diferencial parcial de Boussinesq linearizada. Para o modo de drenagem, a queda do lençol freático é modelada pela aproximação de Glover, que é matematicamente análoga à equação de descarga de um capacitor ($V_t = V_0 e^{-t/RC}$). Para o modo de subirrigação, a ascensão do lençol freático é modelada pela solução analítica de Skaggs, análoga à equação de recarga do capacitor ($V_t = V_0(1 - e^{-t/RC})$).
• Implementação de Hardware: A configuração física inclui:
  • Sensores: Um sensor de chuva para detectar precipitação e um circuito RC (resistor de 10 KΩ, capacitor de 100 μF) atuando como uma camada de solo virtual para medir as flutuações do lençol freático via mudanças de tensão.
  • Atuadores: Uma válvula solenoide (controlada por um relé) para simular o bloqueio/abertura da saída de drenagem, e uma bomba de irrigação (controlada por um relé separado) para simular a injeção de água.
  • Interface e Registro: Um display gráfico Nextion fornece visualização em tempo real de uma seção transversal 2D, barras de progresso para chuva, nível do lençol freático e nível do poço, além de indicadores de status (LEDs). Um módulo de cartão SD registra os dados experimentais.
• Lógica de Controle: Um programa C personalizado automatiza o sistema. No modo de drenagem, a chave ativa a válvula solenoide e desativa a bomba, fazendo com que o capacitor se descarregue (simulando a queda do lençol freático). No modo de subirrigação, a chave recarrega o capacitor enquanto a bomba enche o poço, simulando a ascensão do lençol freático. O sistema responde aos inputs de chuva interrompendo a irrigação.

Principais Contribuições

1. Analogia Matemática-Elétrica: O artigo estabelece um fator de escala direta ($S_h = 0.2$) ligando a altura física do lençol freático à tensão do circuito RC, permitindo que o microcontrolador calcule o tempo análogo ($t_A$) com base em parâmetros físicos ($\alpha t/L^2$ para drenagem e $Ky_0t/2fL^2$ para subirrigação).
2. Ferramenta Educacional Integrada: O sistema combina automação de hardware (sensores, bombas, válvulas) com uma interface gráfica de usuário (Nextion) e registro de dados, criando um "ambiente virtual" abrangente para o ensino de engenharia de drenagem.
3. Validação de Mecanismos: O estudo demonstra que o sistema análogo replica com precisão os mecanismos teóricos. Exemplos práticos confirmam que os tempos análogos calculados para alturas específicas do lençol freático alinham-se tanto com as equações teóricas quanto com os resultados gráficos gerados pelo sistema.

Resultados
Os resultados experimentais, visualizados na Figura 5, mostram que o circuito RC modela com sucesso o drawdown (rebaixamento) e a ascensão teórica do lençol freático.

• Modo de Drenagem: Quando o sistema simula a drenagem, o capacitor se descarrega e o display Nextion mostra uma queda gradual no nível do lençol freático. Cálculos para uma queda do lençol freático de 0,5 m resultaram em um tempo análogo de aproximadamente 0,693 segundos, correspondendo à derivação teórica.
• Modo de Subirrigação: Ao simular a subirrigação, o capacitor se recarrega e o nível do lençol freático sobe. O sistema demonstrou que, para propriedades de solo idênticas ($K, f, L$), os parâmetros físicos que regem a ascensão e a queda são matematicamente equivalentes, resultando em constantes de tempo simétricas para mudanças de altura equivalentes.
• Consistência de Dados: Os dados registrados no cartão SD e as barras de progresso visuais confirmaram que o sistema responde corretamente à alternância de modos e detecção de chuva, automatizando efetivamente os ciclos de liga/desliga da bomba e da válvula.

Significância e Alegações
O artigo afirma que este análogo baseado em Arduino serve como uma ferramenta de ensino em sala de aula nova e eficaz. Sua significância reside em:

• Percepção Visual: Proporciona aos alunos um "artefato visual" que ilustra os aspectos hidráulicos da gestão do lençol freático, tornando tangíveis os modelos matemáticos abstratos.
• Compreensão da Automação: Ao integrar sensores e atuadores, o sistema ajuda os alunos a compreender os mecanismos de controle automatizado em drenagem e subirrigação.
• Eficácia Pedagógica: Os autores afirmam que a simplicidade de uso, a elegância do display Nextion e a correção dos resultados tornam o programa altamente adequado para aumentar a compreensão do aluno.
• Novidade: O estudo destaca que esta abordagem é única em sala de aula, pois estudos anteriores não utilizaram tecnologia digital para validar os mecanismos subjacentes destes modos específicos de gestão hídrica em um cenário de análogo educacional.

A pesquisa conclui que o análogo RC consegue preencher a lacuna entre as equações hidráulicas teóricas e as demonstrações práticas observáveis em sala de aula, provando que as propriedades físicas do solo virtual se comportam de forma consistente, quer o lençol freático esteja subindo ou descendo.