EQUIPAMENTO PARA MENSURAÇÃO DO COEFICIENTE DE VARIAÇÃO DO ESPAÇAMENTO ENTRE PLANTAS NA CULTURA DO MILHO (Zea Mays)

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1 EQUIPAMENTO PARA MENSURAÇÃO DO COEFICIENTE DE VARIAÇÃO DO ESPAÇAMENTO ENTRE PLANTAS NA CULTURA DO MILHO (Zea Mays) Edson Massao Tanaka¹; Luís Hilário Tobler Garcia²; Allan Lincoln Rodrigues Siriani³; Tiago Borges Scalisse 4 ¹Mestre, Professor Associado, FATEC Shunji Nishimura, Mecanização em Agricultura de Precisão, Pompeia, SP, Fone: (18) , tanaka@fatecpompeia.edu.br ²Mestre, Professor Associado, FATEC Shunji Nishimura, Mecanização em Agricultura de Precisão, Pompeia, SP, Fone: (14) , luishilario@gmail.com ³Graduado, Pesquisador Tecnológico, Laboratório de Pesquisas Tecnológicas UJI, Pompeia, SP, Fone: (14) , allan.siriani@jacto.com.br 4 Discente, FATEC Shunji Nishimura, Mecanização em Agricultura de Precisão, Pompeia, SP, Fone: (14) , tiago.scalisse@outlook.com Resumo: O milho é uma cultura que possui grande importância na economia brasileira e segundo a Conab, somente na safra 12/13 a estimativa de colheita é de mais de 80 milhões de toneladas, atingindo um recorde no país, mas para a obtenção de altas produtividades, sua densidade e uniformidade devem fatores observados no momento do plantio. O trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um protótipo de um veículo terrestre não tripulado (VTNT) que mensure in loco o espaçamento entre plantas da cultura do milho possibilitando o cálculo de coeficiente de variação desse espaçamento de maneira automática. O desenvolvimento da estrutura principal do protótipo é feita de tubos perfilados de cloreto de polivinila (PVC) nas dimensões que permitam a passagem do veículo sobre a cultura. Para a medição do espaçamento e a elaboração dos cálculos utiliza-se uma plataforma de prototipagem eletrônica Arduino Mega 2560 e sensores ultrassônicos, através dos quais é possível por intermédio de uma programação construída em linguagem C, a obtenção dos dados e a elaboração de cálculos estatísticos para a determinação do coeficiente de variação. Como resultado final, foi observado que o equipamento responde de forma necessária para a obtenção dos dados, mas possui limitações que o impede de realizar o cálculo do coeficiente de variação de forma precisa e acurada, limitações advindas das variações de velocidade e de limitações dos sensores ultrassônicos. Palavras-chave: VTNT, coeficiente de variação do espaçamento, cultura do milho, arduino, Zea mays. 1

2 EQUIPMENT FOR MEASURING THE COEFFICIENT OF VARIATION BETWEEN PLANTS IN THE CORN CROP (Zea Mays) Abstract: Corn is a crop that has great importance in the Brazilian economy and according to Conab, only in season 12/13 the estimated harvest is over 80 million tons to a record in the country, but to obtain high yields the density and uniformity must be one of the most important factors at the time of planting. The work aims to develop a prototype of an unmanned ground vehicle (UGV) that measures in loco the plant spacing of the corn crop enabling calculation of coefficient of variation of this spacing automatically. The prototype main structure development is made of profile pipes made of polyvinyl chloride (PVC) in the dimensions that permit the passage of the vehicle on the crop. For measurement of the spacing and draw up the calculations uses electronics prototyping platform Arduino Mega 2560 with ultrasonic sensors, through of these is possible by means of a programming language built in C to obtain the data and preparation of statistical calculations for obtaining the coefficient of variation. As a result, it was observed that the equipment responds necessary to obtain data but has limitations that prevents it from performing the calculation of the coefficient of variation precisely and accurately, limitations arising from speed variations and limitations of ultrasonic sensors. Keywords: UGV, coefficient of variation, corn, arduino, Zea mays. INTRODUÇÃO O trabalho, caracterizado como artigo técnico, ressalta a importância econômica do milho, a importância do espaçamento entre plantas desta cultura e a importância do estudo de novas tecnologias e sua aplicação no campo. Segundo provas que envolvem escavações arqueológicas e geológicas e medições por desintegração radioativa, entre as culturas conhecidas, o milho se destaca como a mais antiga, sendo cultivado há pelo menos anos, é também uma das mais importantes plantas comerciais com origem nas Américas. Segundo indicações tem sua origem no México, América Central ou Sudoeste dos Estados Unidos e logo depois do descobrimento das Américas, foi levado para a Europa, onde era cultivado em jardins, até que seu valor alimentício tornou-se conhecido e passou, então, a ser plantado em escala comercial, espalhando-se desde a antiga União Soviética até a Argentina (GODOY, 2002; JUGENHEIMER, 1990, apud DUARTE, c2000). Atualmente o cereal mais produzido no mundo, segundo o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA), nos últimos cinco anos, a produção média de milho foi de 778,8 milhões de toneladas, no mesmo período, a produção de arroz em casca foi de 668,1 milhões de toneladas e a de trigo situou-se em 662,2 milhões (DEMARCHI, 2011). Conforme cita Demarchi (2011), a importância econômica do milho se encontra em sua diversidade de utilização, podendo ser utilizado desde a alimentação animal e humana até a 2

3 indústria de alta tecnologia, contudo, o maior destino do milho é a produção de ração para a avicultura, bovinocultura e a suinocultura, as quais são de grande importância econômica, tanto no cenário nacional como no cenário mundial. O milho é uma cultura que possui grande importância na economia brasileira, e segundo a Conab (2013), somente na safra 12/13 a estimativa é de recorde, com mais de 80 milhões de toneladas de milho colhidas no país, como mostrado em destaque na figura 1. Figura 1 - Estimativa de produção de grãos, safras 2011/2012 e 2012/2013 (em 1000 t) Fonte: CONAB, 2013 Levantamento: Agosto/2013 Outro fator que indica essa importância é a participação da cultura no VBP (valor bruto de produção) brasileiro, em que ocupa a terceira colocação, com participação de 13% (correspondendo a R$ 36,846 bilhões), onde a cultura da soja possui principal participação com 30% seguida pela cana-de-açúcar com 17%. 3

4 Utilização de plataformas Arduino na agricultura Arduino é uma plataforma de hardware livre, projetada com um microcontrolador Atmel de placa única, com suporte de entrada e saída embutido e uma linguagem de programação padrão, essencialmente C. Pode ser usado para o desenvolvimento de objetos interativos independentes, ou ainda para ser conectado a um computador com o papel de servidor. Uma típica placa Arduino é composta por um controlador, algumas linhas de entrada e saída, digitais e analógicas, além de uma interface de comunicação serial e USB, possibilitando a sua conexão a um computador, para a sua programação e interação em tempo real, assim como a um servidor. Os Arduinos originais utilizam a série de microcontroladores megaavr, especialmente os microcontroladores da família ATmega8, ATmega168, ATmega328 e a ATmega1280, porém muitos outros microprocessadores foram utilizados por cópias de seu projeto original. A grande maioria de placas inclui um regulador linear de 5 volts e um oscilador de cristal de 16 MHz, sendo pré-programado com um bootloader que, em comparação com outros aparelhos, simplifica o carregamento de programas para o chip de memória flash embutido. Sua utilização envolve o uso de um software livre, responsável por permitir a confecção e transmissão de códigos de programação ao hardware citado, o qual pode ter funcionalidade agregadas através adição de placas que são montadas sobre a placa principal. Atualmente, existem alguns métodos usados para a transmissão de dados em um Arduino, através das placas programáveis por uma porta USB ou através de uma porta serial comum (ARDUINO, 2011). Devido a sua ampla capacidade de utilização, o Arduino também pode ser aplicado na agricultura, como em diversas variáveis que podem ser medidas através de sua plataforma e sensores, a exemplo da automação do processo de pulverização de defensivos e mapeamento de plantio da produção (JUNIOR; VENTURA, 2011). Como cita Dornelles (1997), para a programação é utilizada a linguagem Arduino que é baseada em linguagem C e utiliza um software livre para a escrita dos códigos do sistema criado para a placa Arduino, bem como para efetuar a transferência dos dados para tal placa. A linguagem C é uma linguagem genérica que, apesar de ser de alto nível, compartilha recursos tanto de alto nível, quanto de baixo nível, pois permite acesso e programação direta de microprocessadores. 4

5 O Coeficiente de Variação como medida de qualidade no plantio Conhecer medidas de variabilidade no espaçamento entre plantas na cultura do milho é um fator extremamente importante, pois o milho é uma cultura que apresenta variações de produtividade que dependem de seu espaçamento. Segundo Anderson (2011), quando estamos interessados em uma estatística descritiva que indique qual é o tamanho do desvio padrão em relação à média, utilizamos o coeficiente de variação. Sendo assim, conseguimos saber qual foi a variação do espaçamento entre plantas, e ter um fundamento para uma próxima tomada de decisão. O problema que motivou o desenvolvimento desse trabalho foi a necessidade de obter um método mais prático para obtenção do coeficiente de variação do espaçamento na cultura do milho. Pois o método atual é manual e razoavelmente demorado e trabalhoso. O projeto será realizado de forma experimental (um protótipo), ou seja, essa será a primeira versão realizada, onde será feito principalmente as exposições das ideias, afim de testar e determinar melhor o funcionamento, sendo assim, os testes serão feitos em ambientes controlados e considerados ideais. MATERIAL E MÉTODOS Para o desenvolvimento da estrutura do protótipo, primeiramente foi criado o desenho do projeto com a utilização do software Sketchup, como mostrado na figura 2, em sequência foram utilizados tubos perfilados (3/4) de cloreto de polivinila (PVC) para a montagem da estrutura (figura 3). 5

6 Figura 2 - Esquemático criado com a utilização do software Sketchup Fonte: DO AUTOR Figura 3 - Estrutura de PVC criada para estruturar o projeto Fonte: DO AUTOR Após montagem da estrutura principal, foi necessário equipá-la com o arduino e os sensores ultrassônicos. 6

7 O arduino utilizado foi o Mega 2560 (figura 4), pois possui entradas e saídas analógicas suficientes (16 no total) para a elaboração do projeto e os sensores ultrassônicos foram os HC- SR04 (figura 5), pois fazem parte dos recursos disponíveis e atendem os requisitos iniciais do projeto. Figura 4- Arduino Mega 2560 Fonte: DO AUTOR O Arduino Mega 2560 (figura 4) é uma placa fundamentada no microcontrolador ATmega2560. Ele tem 54 pinos de entradas/saída digitais (dos quais 14 podem ser usados como saídas PWM), 16 entradas analógicas, 4 UARTs (portas seriais de hardware), um cristal oscilador de 16 MHz, uma conexão USB, um conector de alimentação e um botão de reset. Ele contém tudo o necessário para suportar o microcontrolador, basta conectá-lo a um computador com um cabo USB ou ligá-lo com um adaptador AC para DC ou bateria para começar usá-lo (ARDUPILOT, c2013). Figura 5 - Sensor ultrassônico HC-SR04 Fonte: LET S MAKE ROBOTS,

8 Já o sensor ultrassônico HC-SR04 tem seu princípio de funcionamento na emissão de uma onda sonora de alta frequência, e na medição do tempo levado para a recepção do eco produzido quando esta onda se choca com um objeto capaz de refletir o som. Eles emitem pulsos ultrassônicos ciclicamente. Quando um objeto reflete estes pulsos, o eco resultante é recebido e convertido em um sinal elétrico. A detecção do eco incidente depende de sua intensidade e da distância entre o objeto e o sensor ultrassônico. Os sensores ultrassônicos funcionam medindo o tempo de propagação do eco, ou seja, intervalo de tempo medido entre o impulso sonoro emitido e o eco do mesmo (JUNIOR; VENTURA, 2011). O próximo passo foi a realização da conexão dos sensores com a placa arduino. O sensor ultrassônico possui 4 (quatro) pinos: VCC (+5V), Trig (pino trigger, que dispara a onda sonora), Echo (receptor da onda sonora) e o GND (ground, 0V). O pino VCC e GND são ligados a alimentação da placa do arduino, na entrada de 5V e GND respectivamente. Os pinos Trig e Echo são ligados as portas analógicas do arduino, sendo o pino Trig definido como saída e o Echo como entrada, sendo essa última operação realizada juntamente a programação. Nesse caso, dois sensores são utilizados para o projeto, para que possa ser medida a velocidade de deslocamento do veículo, sendo realizado da seguinte forma: Os dois sensores são posicionados do mesmo lado da estrutura a uma distância conhecida um do outro, nesse projeto foi utilizado 10cm (figura 6). Figura 6 Posicionamento dos sensores ultrassônicos Fonte: DO AUTOR 8

9 Quando o sensor, que está posicionado mais à frente da estrutura detecta a planta ele começa uma contagem de tempo, que só será parada quando o segundo sensor detectar a próxima planta. Assim com esse tempo, mais a distância de um sensor ao outro é possível obter a velocidade de deslocamento, representada pela equação (1): Onde: Vm = Δs/ Δt (1) Vm = velocidade média Δs = diferença de distância de um sensor ao outro Δt = diferença de tempo entre o 1º sensor até o 2º sensor O pino Trig e Echo do primeiro sensor foram ligados nas portas analógicas 8 e 9 respectivamente, o pino Trig e Echo do segundo sensor foram ligados respectivamente nas portas 12 e 13. E os pinos VCC e GND de ambos sensores foram ligados na alimentação de +5V e 0V. Com os dados de velocidade de deslocamento, foi é possível começar a obter o espaçamento de uma planta a outra. Utilizou-se a diferença de tempo que o primeiro sensor levou para passar de uma planta até a próxima planta, com essa diferença mais a velocidade calculada anteriormente, é possível calcular a distância de uma planta a outra, através da equação da distância (2): Δs = Vm x Δt (2) Onde: Vm = velocidade média Δs = distância entre as plantas Δt = tempo que o sensor demorou para passar entre as plantas Com o cálculo das distâncias, foi possível progredir para o cálculo do coeficiente de variação, as equações de 1 a 6, são referenciadas a Anderson, Sweeney e Williams (2011). Calculou-se a média das distâncias conforme a equação (3), para dar prosseguimento aos cálculos: x = xi n (3) 9

10 Onde: x = média xi = soma dos valores de n observações n = número de observações (plantas) Esses dados possibilitaram dar prosseguimento para os cálculos do coeficiente de variação, restando calcular a variância (4) e o desvio padrão (5): s² = (xi x)² n 1 (4) Onde: s² = variância ( xi x)² = soma dos valores menos a média elevado ao quadrado n = número de observações amostras (plantas) s = s² (5) Onde: s = desvio padrão s² = variância Agora para calcular o coeficiente de variação é necessário calcular a relação entre o desvio padrão e a média (6): CV% = s x 100 (6) Onde: CV% = desvio padrão em percentagem x = média A seguir consta a programação realizada, com as partes mais importantes descritas depois de duas barras (//). //PROGRAMA: //Declaração das variaveés que serão usadas no programa #define echopinb 9 //Pino 9 recebe o pulso do echo #define trigpinb 8 //Pino 8 envia o pulso para gerar o echo 10

11 #define echopin 13 //Pino 13 recebe o pulso do echo #define trigpin 12 //Pino 12 envia o pulso para gerar o echo int contplanta = 0; int sensor1= 0; double distsens = 10.00; //Distância entre os sensores ultrassônicos double vel; int sensor2 ; int cont; int cont1; double tempo1; double tempo0; double tempo2; double distplanta[100]; double cv; double soma; double desvpad; double media; double variancia; double somaquad; void setup() // define as entradas e saídas, no caso os dois sensores ultrassônicos { Serial.begin(9600); //inicia a porta serial pinmode(echopin, INPUT); // define o pino 13 como entrada (recebe) pinmode(trigpin, OUTPUT); // define o pino 12 como saida (envia) pinmode(echopinb, INPUT); // define o pino 9 como entrada (recebe) pinmode(trigpinb, OUTPUT); // define o pino 8 como saida (envia) } void loop() { //Configuração do SENSOR 1 digitalwrite(trigpin, LOW); delaymicroseconds(2); 11

12 digitalwrite(trigpin, HIGH); delaymicroseconds(10); digitalwrite(trigpin, LOW); long duration = pulsein(echopin,high); long distancia = duration /58 ; if (((distancia <10)&&(distancia > 1)) && (sensor1 < 1)){ // define se tem planta no sensor 1 sensor1 = 1; contplanta ++; tempo1 = millis(); tempo1 = tempo1/1000; Serial.print("Quant. Plantas: "); Serial.println(contplanta); Serial.print("Tempo 1: "); Serial.println(tempo1); if (contplanta > 1){ distplanta[contplanta] = ((tempo1-tempo0)*vel); soma = soma + distplanta[contplanta]; media = soma/(contplanta-1); Serial.print("Distancia da planta "); Serial.print(contplanta-1); Serial.print(" ate a planta "); Serial.print(contplanta); Serial.print(" e de "); Serial.print(distplanta[contplanta]); Serial.println(" cm"); } } //Configuração do sensor SENSOR 2 digitalwrite(trigpinb, LOW); delaymicroseconds(2); digitalwrite(trigpinb, HIGH); delaymicroseconds(10); 12

13 digitalwrite(trigpinb, LOW); long durationb = pulsein(echopinb,high); long distanciab = durationb /58 ; if(((distanciab < 10)&& (distanciab >1)) && (sensor1==1)){ //define se tem planta no sensor 2 tempo2=millis(); tempo2 = tempo2/1000; tempo0 = tempo1; sensor1 = 0; Serial.print("Tempo 2: "); Serial.println(tempo2); vel = (distsens/(tempo2 - tempo1)); Serial.print("Vel.: "); Serial.print(vel); Serial.println(" cm/s"); Serial.println(" "); for(cont1 =2; cont1 <= contplanta; cont1++){ somaquad = pow(distplanta[cont1]-media,2) + somaquad; } //Cálculos para realizar o coeficiente de variação variancia = somaquad/(contplanta-1); desvpad = sqrt(variancia); cv = (desvpad/media)*100; Serial.print("CV% = "); Serial.println(cv); } delay(300); } Após a montagem da estrutura e programação, foi dado início aos testes, que foram realizados em ambiente fechado (não foi realizado teste em campo), em condições ideais para que possa haver melhor controle e visualização dos resultados. 13

14 Ao invés de utilizar uma planta de milho, foram utilizados quatro cones de papel espaçados a 30, 25 e 20cm respectivamente um do outro (figura 7), para que fosse feira a simulação da detecção de planta, ressaltando que este projeto visa testar e entender melhor o funcionamento do equipamento aqui proposto. Figura 7 - Disposição dos cones de papel Fonte: DO AUTOR RESULTADOS Foram realizados 5 testes em ambiente controlado, e comparados com valores medidos do método manual. Os resultados estão expressos na tabela 1, e indicam a variação dos valores reais sobre os valores medidos pelo equipamento, mostrando que houve variações de -3,41 a 3,34 em relação ao valor real. Tabela 1 - Comparação entre valores reais e medidos com o equipamento Repetições Distância entre plantas real (cm) Distância entre plantas medido com equipamento (cm) , , , , , , , ,51 CV Real (%) CV medido com o equipamento (%) Diferença entre CV real e medido 16,33 19,14 2,81 16,33 12,99-3,34 16,33 14,98-1,35 14

15 , , , , , , ,33 19,74 3,41 16,33 13,87-2,46 CONCLUSÃO Com os testes realizados foi observado que o equipamento realiza todos os cálculos necessários para a medição do coeficiente de variação, mas possui alguns fatores que limitam a medição precisa e acurada, como a variação da velocidade durante o processo de medição do coeficiente de variação, devido ao método utilizado para medir a velocidade, e o tipo de sensor utilizado, que não apresenta grande precisão. A versão final da estrutura, com os sensores instalados encontra-se na figura 8. Figura 8 - Estrutura final do protótipo Fonte: DO AUTOR AGRADECIMENTOS Laboratório de Pesquisas Tecnológicas UJI, Fundação Shunji Nishimura de Tecnologia e GECOM (Grupo de Estudo em Colheita Mecanizada). 15

16 REFERÊNCIAS ANDERSON, D.R.; SWEENEY, D.J.; WILLIAMS, T.A. Estatística aplicada à administração e economia. 2 ed. São Paulo: Cengage Learning, ARDUINO. Disponível em: < Acesso em: 10 set ARDUPILOT. Arduino Mega2560. c2013. Disponível em: < =flypage.tpl&pop=0&option=com_virtuemart&itemid=231&vmcchk=1&itemid=231> Acesso em: 3 out CONAB, COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO. Acompanhamento da safra brasileira: Grãos Safra 2012/2013. Décimo primeiro levantamento, Disponível em: < es_agosto_2013_port.pdf> Acesso em: 22 out DEMARCHI, M. Análise da conjuntura agropecuária. Secretaria da agricultura e do abastecimento do Paraná, Disponível em: < Acesso em 06 out DORNELLES, A. A. Fundamentos de Linguagem C. Departamento de Engenharia de Computação e Automação - UFRN DUARTE, J.O. Cultivo do milho: Introdução e Importância Econômica do Milho, Embrapa, c2000. Disponível em: < cia.htm#topo> Acesso em: 03 out JUNIOR, J.C.V.; VENTURA, L.C.G. Automação do processo de pulverização de defensivos e mapeamento de plantio da produção f. Trabalho de conclusão de curso Universidade Positivo UP, Curitiba, LET S MAKE ROBOTS Disponível em: < Acesso em: 31 out