Sistema Eletrônico para o Manejo Automatizado de Abrigos de Cultivos Baseados em Hidroponia

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1 Sistema Eletrônico para o Manejo Automatizado de Abrigos de Cultivos Baseados em Hidroponia Cristiano Santos Pereira de Abreu 1, Tiago Jampietro Bastos 1, Vinicios Luneburger Anacleto 1, Ronaldo Tadeu Murguero Junior 1, Anderson Luiz Fernandes Perez 1, Eliane Pozzebon 2 e Rafael Gustavo Ferreira Morales 3 1 Laboratório de Automação e Robótica Móvel Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) Campus Araranguá Araranguá SC Brasil, cristiano.spa@msn.com, tiago.jampietro@gmail.com, viniciosanacleto@hotmail.com, murguero.ronaldo@gmail.com, anderson.perez@ufsc.br 2 Laboratório de Tecnologias Computacionais Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) Campus Araranguá Araranguá SC Brasil, epozzebon@gmail.com 3 Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina (EPAGRI) Gerência Regional de Itajaí Itajaí SC Brasil, rafael.epagri@gmail.com RESUMO Este artigo descreve um sistema de monitoramento para a automatização de abrigos de cultivos em culturas hidropônicas. Um abrigo de cultivo é uma solução adotada na agricultura que visa proteger a cultura de interpéries da natureza. Entretanto, todo o controle do abrigo, tais como abertura e fechamento do sombrite e acionamento de exaustores, por exemplo, é realizado de maneira manual ou semiautomática. O objetivo do sistema proposto é controlar automaticamente um abrigo de cultivo a partir da leitura de sensores instalados em posições específicas. PALAVRAS-CHAVE: Sistema de monitoramento, abrigos de cultivos, culturas hidropônicas, automação. ABSTRACT This article describes a monitoring system for automating hydroponic greenhouses. A greenhouse is a growing solution adopted in agriculture aimed at protecting the culture of natural

2 problems of nature. However, all under control, such as opening and closing of shadow protection and the activation of hoods, for example, is performed in manual or semi-automatic way. The purpose of the proposed system is automatically controlling a greenhouse from reading sensors installed at specific locations. KEYWORDS: Monitoring system, greenhouse, hydroponic growing, automation. INTRODUÇÃO A produção agrícola em ambientes protegidos, tal como abrigos de cultivo, é uma alternativa aos métodos tradicionais de produção em ambientes abertos e que possibilita certo controle das condições edafoclimáticas, como temperatura, umidade do ar e irradiação solar, oferecendo assim um melhor aproveitamento da área e condições para o crescimento e desenvolvimento das culturas. Em um abrigo de cultivos é necessário realizar um correto manejo, que é o gerenciamento das condições necessárias para desenvolvimento e crescimento de determinada cultura, isto é realizado por meio da leitura de sensores sendo assim possível determinar ações para alguns atuadores disponíveis em um abrigo de cultivo, tais como exaustores, ventiladores, irrigação e sombreamento, visando inferir positivamente nas condições do ambiente favorecendo o desenvolvimento da cultura (JUNIOR, 2011), sendo assim a automatização de um abrigo visa tornar o manejo mais preciso. Atualmente poucos profissionais no país tem o conhecimento para interpretar as reações fisiológicas das culturas em ambiente protegido e manejar adequadamente o abrigo a fim de obter o máximo rendimento possível da cultura. Neste trabalho é apresentado um sistema de controle automatizado para abrigos de cultivos visando realizar o manejo autônomo de um abrigo de cultivos hidropônicos a partir da obtenção das condições edafoclimáticas do ambiente, e assim atuar para adaptar este as melhores condições para o desenvolvimento da cultura. O artigo está estruturado da seguinte forma: na Seção Culturas Hidropônicas são descritas as principais características de um cultura baseada em hidroponia, bem como características de abrigos e formas de controle destes; na Seção Descrição do Sistema de Monitoramento Eletrônico para Culturas Hidropônicas é descrito a arquitetura e as principais características do sistema desenvolvido; a Seção Avaliação do Sistema Proposto é descrito um conjunto de experimentos realizados com o sistema de controle e os resultados obtidos; a última Seção Considerações Finais apresenta algumas conclusões sobre o trabalho descrito neste artigo, bem como lista algumas propostas para trabalhos futuros que visam estender o sistema de controle desenvolvido. CULTURAS HIDROPÔNICAS Na hidroponia o cultivo vegetal é realizado sem solo ou outro substrato como fonte de nutrientes para a planta. Os elementos minerais essenciais para o crescimento e o desenvolvimento das

3 plantas são fornecidos através de uma solução nutritiva que fornece na medida exata e de forma constante todos os nutrientes que os vegetais cultivados necessitam. Existem vários sistemas hidropônicos. Eles diferem entre si pela forma em que a solução nutritiva entra em contato com as raízes. Basicamente, para um conjunto hidropônico é necessário uma estrutura para sustentação da planta, um reservatório para solução nutritiva, um meio de contato entre as raízes e a solução nutritiva. A hidroponia deve preferencialmente ser conduzida em um ambiente protegido como um abrigo de cultivo, quando se tem interesse comercial e de produção em grande escala. Sistemas de Cultivo Hidropônicos Os sistemas hidropônicos são classificados de acordo com o movimento da solução nutritiva e podem ser estáticos ou dinâmicos. No sistema estático a solução nutritiva permanece estática junto às raízes da planta. que é o caso do sistema Pavio. Neste sistema, há um vaso contendo a planta e um pequeno reservatório contendo a solução, ambos, interligados por um pavio, por onde a solução sobe por capilaridade. Trata-se, também, de um sistema aberto, pois a solução não retorna ao reservatório. A maioria dos sistemas são do tipo dinâmico, havendo circulação forçada de água ou de ar para aeração da solução. Tem-se cinco exemplos de sistemas dinâmicos: Floating, Subirrigação, NFT (Nutrient Film Technique), Gotejamento e Aeroponia. Abrigos de Cultivo Os produtores rurais estão sempre sobre a influência de intempéries, como ventos, granizos e chuvas, que danificam a plantação, fazendo com que sua colheita fique prejudicada devido a má qualidade dos produtos. A utilização de abrigos de cultivo auxilia na proteção da lavoura contra as mais adversas situações climáticas. Devido as inúmeras vantagens, a utilização do cultivo protegido tem aumentado em todo o mundo devido a fatores importantes que auxiliam o produtor rural (RURALNEWS, 2015) e no Brasil o crescimento é estimado em torno de 20% ao ano. O aumento considerável da utilização do cultivo protegido vem ocorrendo devido ao seu baixo custo e versatilidade. Porem existem outros fatores que influenciam a sua utilização, como o melhor desenvolvimento das plantas, aumento de produtividade, colheita nas entressafras e, principalmente, menor incidência de pragas e doenças, o que resulta em produtos de melhor qualidade (ROMANINI et al., 2010; RURALNEWS, 2015). A estrutura dos abrigos depende muito de sua finalidade. De modo geral é constituída por uma armação, que pode ser de madeira, aço galvanizado ou concreto, com uma altura suficiente que possibilite uma boa aeração, coberta por um plástico transparente ou do tipo difusor, podendo-se utilizar telas, como o sombrite, aluminet, telas pigmentadas de diferentes colorações, que auxiliam na regulagem da temperatura interna e em alguns casos com telas anti-insetos nas laterais, que impossibilite a entrada de pragas.

4 Em estruturas mais sofisticadas pode-se encontrar exaustores, para a retirada forçada do ar quente; lampadas, para o controle de luminosidade em locais de baixa insolação; e sistema de irrigação automatizado, com sensores de umidade do solo. A Figura 1 ilustra um exemplo de um abrigo de cultivo com tomateiro, antes do plantio e na fase de produção de frutos. Figura 1: Abrigos para o cultivo do tomateiro. A- Antes do plantio e B- Plantas em fase de colheita Os abrigos de cultivo necessitam de uma atenção especial por parte dos agricultores, pois devem estar em constante observação quanto a temperatura, umidade e luminosidade para acionar, de forma manual, os equipamentos que irão realizar o controle. Por exemplo, os exaustores para refrigerar o ambiente em caso da mesma estar acima da temperatura ideal para o cultivo. Atualmente existem soluções tecnológicas para auxiliar o agricultor no manejo da cultura. Por exemplo, é possível instalar em um abrigo de cultivo sensores que captam a temperatura, porem quem faz o procedimento para controle dos exaustores, se estes devem ou não ser ligados, é o agricultor. Existem outros sistemas mais modernos em que o produtor programa a temperatura que o exaustor deve ligar e desligar, utilizando-se de um painel de controle central para a tomada de decisões. Contudo, o desafio é integrar esses sistemas com um sistema informatizado, em que o produtor consiga controlar as ações do sistema de controle do abrigo de forma remota. Alguns autores mencionam em seus trabalhos sobre a automação em abrigos de cultivo como é o caso de (CUNHA; CUGNASCA; CHERMONT, 2005; LITJENS, 2009; MARANGONI; SOUZA; MOREIRA, 2014). Neste trabalho é proposto um sistema para monitoramento remoto de abrigos de cultivos que está descrito na próxima seção. DESCRIÇÃO DO SISTEMA DESENVOLVIDO O sistema desenvolvido tem por finalidade automatizar o manejo do abrigos de cultivo a partir da leitura de dados climáticas, como temperatura, umidade do ar e luminosidade, e, atuar conforme parâmetros pré-definidos visando interferir de forma positiva nas condições ambientais em prol do desenvolvimento da cultura. A Figura 2 ilustra o diagrama esquemático do sistema desenvolvido.

5 Figura 2: Diagrama de funcionamento O sistema de monitoramento é composto por três módulos: o módulo de sensoriamento remoto, o módulo de controle central e um software de interface com o usuário. Sendo que o módulo de sensoriamento remoto é responsável por ler os dados do abrigo e enviá-los ao módulo de controle, este por sua vez processa essas informações e toma uma decisão a respeito da ação a ser executada. A interface com o usuário permite que o usuário configure e acompanhe as informações do sistema de controle. A Figura 3 ilustra a interface do usuário com algumas informações lidas do abrigo de cultivos. Figura 3: Interface gráfica do sistema desenvolvido Cada módulo de sensoriamento remoto é composto por um LDR (Light Dependent Resistor), um tipo de resistor variável em que a resistência varia conforme a intensidade de luz que incide sobre ele; um sensor digital de umidade e temperatura do tipo DHT11, que permite medir temperaturas de 0 a 50 o C e níveis de 20 a 90% de umidade relativa. Este é um sensor de grande confiabilidade por apresentar uma precisão de ±5% e ±2 o C, porém não apresenta leituras com pontos flutuantes(d-robotics, 2010) e um rádio transmissor modelo NRF24L01,

6 de 2.4GHz de clock com taxas de transmissa o de ate 2Mbps, e capacidade de comunicac a o de ate seis ra dios simultaneamente. A Figura 4 ilustra a imagem de um mo dulo de sensoriamento remoto. Figura 4: Mo dulo de sensoriamento remoto A placa de controle do mo dulo de sensoriamento e baseada no Arduino modelo UNOTM que e baseado no microcontrolador ATmega328, que possui arquitetura de 8-bits com 32KB memoria programa vel (ARDUINO, 2015). Esta mesma placa foi utilizada no mo dulo de controle central fazendo a interface do mo dulo de sensoriamento com o software de controle do usua rio. Para o mo dulo de controle central, ale m da placa de controle, e utilizado um ra dio transmissor do tipo NRF24L01 e um driver de controle de motores para acionamento de alguns atuadores do abrigo, o sombrite e o exaustor. Este mo dulo se comunica com o computador atrave s da interface USB (Universal Serial Bus) da placa de controle. O sistema embarcado foi escrito na linguagem de programac a o C para microcontroladores AVR. Nesta parte do sistema, o software embarcado nos mo dulos de sensoriamento tem a func a o de ler os dados dos sensores e enviar via ra dio ao modulo de controle central. Este por sua vez apenas retransmite estes dados para os software de controle e executa comandos enviados pelo usua rio. A interface gra fica com o usua rio foi desenvolvida na linguagem de programac a o C# (C Sharp). Nesta interface sa o tomadas as deciso es para que as condic o es dentro do abrigo sejam ideais para o crescimento de uma determinada cultura. AVALIAC A O DO SISTEMA PROPOSTO Para avaliar o sistema de monitoramento foi construı do um abrigo em escala reduzida com os mesmos equipamentos encontrados em um abrigo convencional, tais como, cobertura pla stica, sombrite e o ventilador (exaustor), conforme demonstrado na Figura 5.

7 Figura 5: Abrigo de cultivo utilizado para os testes Na parte interna do abrigo estão localizados os sensores de temperatura, umidade e luminosidade, que como já foi mencionado anteriormente enviam as informações coletadas através de comunicação via rádio para o sistema central que realiza o processamento destas informações para determinar uma ação aos atuadores. Foram realizados alguns testes onde os valores de temperatura, umidade e luminosidade eram alterados. A partir da alteração das condições ambientes, foi analisado o comportamento do sistema de controle. Após os testes foi concluído que o sistema se comportou adequadamente em todas as condições estabelecidas. A Tabela 1 lista os dados usados nos experimentos com o sistema de controle. Tabela 1: Tabela testes realizados no abrigo de cultivo Temp ( o C) Umid (%) Lumi (Lux) Sombrite Exaustor Meio Aberto Desligado Meio Aberto Ligado Meio Aberto Desligado Totalmente Aberto Ligado Meio Aberto Ligado Fechado Desligado As três primeiras colunas da tabela são os valores de entrada que são captados pelos sensores no interior do abrigo de cultivo, as duas colunas subsequentes são os valores esperados para o controle dos atuadores. Após a realização dos teste foi possivel analisar que o sistema de controle demonstrou ser eficiente, sendo que em todos os testes ao qual foi submetido o mesmo agiu como o esperado, ou seja, a uma temperatura superior a 30 o C e uma luminosidade inferior a 100 Lux, o sistema de controle abriu totalmente o sombrite e ligou o exaustor para ajustar a temperatura.

8 CONSIDERAÇÕES FINAIS O presente trabalho descreveu um sistema de controle para o manejo automatizado de abrigos de cultivos. Um abrigo de cultivo é uma solução adotada por agricultures para o cultivo de diferentes culturas em ambientes protegidos, desta forma diminui-se as perdas com pragas e interpéries da natureza. Em um abrigo do cultivo o ambiente precisa ser constantemente monitorado. Deve ser ter um controle da temperatura, umidade, luminosidade e da solução nutritiva que alimenta a planta. É comum que esse controle seja todo realizado de maneira manual, sendo o agricultor o responsável por ler alguns sensores e, baseado nas informações coletadas, tomar alguma ação com relação ao controle do ambiente do abrigo, tal como abrir sombrite e/ou acionar o exaustor. O sistema de controle proposto neste trabalho visa automatizar abrigos de cultura a partir do monitoramento da luminosidade, temperatura e umidade. A partir dos dados coletados dos sensores e sistema determina uma ação para abertura ou fechamento do sombrite e o acionamento ou não de um exaustor. O sistema desenvolvido permite que o agricultor acompanhe as informações a respeito do abrigo a partir de uma interface gráfica. Para validar o sistema foi construído um abrigo de cultivo em escala reduzida e este foi totalmente automatizado. A partir da leitura dos sensores verificou-se a eficácia do sistema com relação ao controle dos atuadores, o sombrite e o exaustor. As variáveis do ambiente foram alteradas a partir do uso de um soprador térmico, forçando o aquecimento e depois o resfriamento do abrigo. Em todos os experimentos realizados o sistema de controle agiu como o esperado, ou seja, abriu e fechou o sombrite e ligou e desligou o exaustor quando necessário. Como propostas para trabalhos futuros pretende-se utilizar no módulo de sensoriamento remoto um hardware mais robousto como as placas de controle Freedom Board da Freescale ou Raspberry Pi. Também pretende-se implementar um sistema de controle central baseado em lógica fuzzy ou redes neurais artificiais para tornar o sistema de controle adaptativo. AGRADECIMENTOS Os autores, Cristiano Santos Pereira de Abreu e Ronaldo Tadeu Murguero Junior, agradecem a Universidade Federal de Santa Catarina e o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), respectivamente, pela bolsa de estudos. REFERÊNCIAS ARDUINO. Arduino Uno Disponível em: < CUNHA, R.; CUGNASCA, C. E.; CHERMONT, M. G. Proposta de utilização de técnicas de sistema multi-agentes para controle de estufas. In: V CONGRESSO BRASILEIRO DE AGROINFORMÁTICA, SBI-AGRO. [S.l.: s.n.], v. 5. D-ROBOTICS. DHT11 Humidity & Temperature Sensor. Julho Disponível em: <

9 JUNIOR, A. B. Manejo de Ambientes Protegidos: Estufas e Casas de Vegetação. Jun Casa da Agricultura: Produção em Ambiente Protegido. Disponível em: < LITJENS, O. J. Automação de estufas agrícolas utilizando sensoriamento remoto e o protocolo zigbee MARANGONI, V. H.; SOUZA, P. S. de; MOREIRA, H. R. Automação de estufas agrícolas utilizando sensores e arduino. In: 6 a Jornada Científica e Tecnológica. [S.l.: s.n.], ROMANINI, C. E. et al. Desenvolvimento e simulação de um sistema avançado de controle ambiental em cultivo protegido. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, SciELO Brasil, v. 14, n. 11, p , RURALNEWS, R. Estufas - produção agrícola em ambientes controlados. [s.n.],