MÓDULOS MICROPROCESSADOS PARA CONTROLE DE IRRIGAÇÃO EM ÁREAS EXPERIMENTAIS 1

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1 MÓDULOS MICROPROCESSADOS PARA CONTROLE DE IRRIGAÇÃO EM ÁREAS EXPERIMENTAIS 1 A. P. Camargo 2 ; M. F. Pinto 2 ; R. G. Vieira 3 ; O. Rettore Neto 2 ; J. A. Frizzone 4 ; T. A. Botrel 4 RESUMO: Este trabalho apresenta como contribuição o desenvolvimento de módulos microprocessados para automação do controle da irrigação em áreas experimentais. Os módulos desenvolvidos são controladores em malha aberta e atuam apenas no acionamento de válvulas e motobombas. As tarefas executadas pelos módulos são determinadas pelo aplicativo de controle instalado em um computador, o qual se comunica com os módulos utilizando o padrão RS-232. Os módulos têm como componente principal o microcontrolador PIC16F877, responsável por processar mensagens provenientes do computador e executar as ações solicitadas. Cada módulo dispõe de recursos para controle de 30 atuadores, tendo como limitação à distância de cabeamento de comunicação tolerada pelo padrão RS-232. Este trabalho contempla a etapa inicial de uma pesquisa de desenvolvimento na qual se espera propor uma nova tecnologia dedicada para a automação de áreas experimentais que envolvam pesquisas relacionadas à irrigação. PALAVRAS-CHAVE: automação, microcontrolador, irrigação MICROCONTROLLED MODULES FOR IRRIGATION CONTROLLING AT EXPERIMENTAL FIELDS SUMMARY: This work presents the development of microcontrolled modules to automate irrigation controlling at experimental fields. The developed modules can be classified as open loop controllers and thus it works on actuators, as solenoid valves and pumps, without any feedback mechanisms. The performed tasks by modules are defined by the software installed on computer, which is able to transfer data to modules via RS-232. The main device of the modules is a microcontroller PIC16F877, which receives and processes requests from computer and then control actuators according to it. Each module is able to manage 30 actuators. So far the cables length used to RS-232 data transferring is the unique constraint about how many modules can be interconnected with computer and therefore it may limit the number of controlled actuators. This work introduces the initial stage of a research which proposes a technology innovation designed to be used for irrigation automating at experimental fields. KEYWORDS: automation, microcontroller, irrigation 1 Parte do projeto de pesquisa do doutorado do primeiro autor 2 Especialista em laboratório da ESALQ-USP, Departamento de Engenharia de Biossistemas. Piracicaba- SP, , fone: , marinald@esalq.usp.br 3 Doutorando em Engenharia Eletrônica e Computação, Instituto Tecnológico da Aeronáutica ITA. 4 Prof. Dr. ESALQ-USP, Departamento de Engenharia de Biossistemas

2 INTRODUÇÃO Em áreas experimentais de irrigação, frequentemente tratamentos e repetições são individualizados em canteiros ou vasos, nos quais o controle da irrigação é efetuado por válvulas. Muitas vezes estas válvulas são de acionamento manual e requerem que uma ou mais pessoas dediquem muito tempo apenas para controlá-las. Apesar da avançada tecnologia disponível no mercado de sistemas para automação da irrigação, algumas limitações podem ser destacadas. Primeiramente, sabe-se que praticamente todos esses sistemas são importados, fato que condiciona uma dependência brasileira às tecnologias criadas e aprimoradas em outros países. Observa-se que os sistemas mais sofisticados e de interesse para pesquisa apresentam custo restritivo e requerem mão-de-obra especializada para operação e principalmente para manutenção. Além disso, apesar da variedade de modelos existentes é reconhecido que muitas pesquisas exigem soluções especiais de automação, devido à própria especificidade da pesquisa, de modo que os sistemas comerciais muitas vezes não são capazes de atender a necessidade das mesma ou atendem-na parcialmente, não solucionando o problema ou sendo ineficazes. Segundo Queiroz, Botrel e Frizzone (2008), o maior desafio para a Engenharia Agrícola, na cadeia da irrigação, será o desenvolvimento de métodos e sistemas mais eficientes na aplicação e no uso da água, de modo que, a automação desempenha um papel fundamental neste contexto. Ayars e Phene (2007) afirmam que a automação de sistemas de irrigação deve ser algo realizado em estágios para que o usuário aprenda e confie no sistema, sendo que o nível inicial consiste na implantação de um sistema de controle malha aberta, no qual o operador define a frequência e a duração das irrigações. Diante do exposto, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de módulos microprocessados para automação do controle da irrigação em áreas experimentais. MATERIAL E MÉTODOS A protótipo desenvolvido, denominado Módulo para Controle de Atuadores (MCA), foi empregado na automação do controle de válvulas e motobombas em 3 áreas experimentais envolvendo irrigação, durante 6 meses. Estes experimentos estão sendo conduzidos no Departamento de Engenharia de Biossistemas da ESALQ-USP e caracterizam uma parceria entre pesquisadores do local. As áreas experimentais 1 e 2 são caracterizadas pelo cultivo de cana-de-açúcar e citrus em ambiente protegido, sendo que, cada área é constituída por um sistema de irrigação independente utilizado para irrigar 56 vasos (caixas de concreto com capacidade de 500L), nos quais o fornecimento de água é individual e variável ao longo dos eventos de irrigação. Na área experimental 3 está sendo conduzido um experimento com rosas, envolvendo a irrigação de canteiros em frequências distintas. Esta área é constituída por um sistema de irrigação utilizado para irrigar 74 canteiros, nos quais o fornecimento de água também é controlado por válvulas solenóides. Nas 3 áreas o problema de automação é similar, sendo que: pode ser necessário irrigar diariamente; as lâminas de irrigação são independentes para cada vaso/canteiro; as lâminas de irrigação podem variar a cada evento de irrigação; e, o número de atuadores é relativamente

3 grande. Assim sendo, para facilitar e agilizar as tarefas, desenvolveu-se um controlador com interface de comunicação com computadores, bem como um aplicativo que permita a programação dos tempos de operação das motobombas e válvulas. Optou-se por desenvolver um sistema de controle centralizado, constituído de módulos com capacidade de controlar 30 atuadores, sendo que, a princípio não há limitação do número de módulos que podem operar simultaneamente interligados a um computador. Na Figura 1A apresenta-se uma ilustração com os principais componentes do MCA. O circuito elétrico necessário para o controle de um atuador é simples, entretanto, frente ao número de atuadores a serem controlados torna-se necessária a elaboração de sub-módulos para facilitar eventuais operações de reparo. Assim sendo, cada módulo foi dividido em 5 submódulos interligados (Figuras 1B; 1C e 1D), sendo: um Sub-Módulo de Processamento (SMP), dois Sub-Módulos de Seleção (SMS) e dois Sub-Módulos de Acionamento (SMA). A. B. C. D. Figura 1. A. Diagrama do MCA empregado no controle de válvulas solenóides; B. Sub-Módulos de Seleção (SMS); C. Sub-Módulos de Acionamento (SMA); e, D. Sub-Módulos de processamento (SMP). Os Sub-Módulos de Seleção (SMS) permitem a interferência direta do usuário no controle dos atuadores. Utilizando interruptores tipo alavanca de 3 posições, o usuário pode optar por manter cada atuador operando automaticamente, sob comando do microcontrolador; desligar o atuador; ou ainda, ligar manualmente e independente das instruções do microcontrolador. As mensagens transmitidas no barramento serial, que conecta o computador aos módulos, são baseadas em um protocolo ASCII desenvolvido especificamente para a situação. A comunicação entre o SMP e o computador é realizada por meio de um cabo manga com três vias, utilizando o padrão serial RS-232. A conexão entre os SMP é realizada por cabos com três vias que operam como um barramento padrão serial TTL. Através deste barramento, as solicitações enviadas pelo computador chegam a todos os SMP interligados, sendo que a

4 solicitação só é processada pelo SMP que contém o microcontrolador especificado na solicitação e programado para interpretar tal solicitação. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas áreas experimentais 1 e 2 foram instalados o sistema para controle automático da irrigação com capacidade de controlar 60 válvulas sendo utilizadas 56 saídas de controle, enquanto que na área 3 foi instalado o sistema para controle de 90 válvulas sendo utilizadas 74 saídas de controle. A Figura 2 apresenta dois sistemas de controle instalados nas áreas experimentais. Figura 2. Visão geral de dois quadros de comando montados em áreas experimentais. À esquerda controlador para 60 atuadores e à direita controlador para 90 atuadores O aplicativo desenvolvido e instalado nos computadores localizados nas áreas experimentais permite inserir manualmente os tempos de operação de cada atuador; ou ainda, carregar um arquivo de texto com estrutura pré-definida, sendo esta a forma mais utilizada pelos usuários. O arquivo de texto é gerado manualmente pelo usuário a partir de planilhas de cálculo relacionadas ao experimento. O aplicativo desenvolvido torna transparente o processo de codificação de instruções de acordo com o protocolo de comunicação, facilitando bastante seu uso por parte dos usuários. Há ainda a possibilidade de agendar rotinas de irrigação, bastando definir data e horário de início da rotina e arquivo de texto a ser carregado no momento que antecede a irrigação. Apesar de que não foram detectadas falhas relacionadas ao uso do padrão RS-232 e TTL para transmissão de dados entre vários módulos até o momento, sabe-se que estes padrões foram concebidos para a transmissão de dados somente entre dois dispositivos. O comprimento máximo de cabos utilizado para comunicação entre o computador e um dos MCA não superou 15 m, mantendo-se no limite de comprimento recomendado por Mackay et al. (2004). Entretanto, Park et al. (2003) afirmam que o padrão RS-232 apresenta uma série de limitações que o torna inadequado para transmissão de dados em ambientes industriais, sendo que estas limitações não foram detectadas neste experimento. Os custos com material para automação do controle de atuadores na área experimental 3, constituída por 74 válvulas solenóides e 1 motobomba e, portanto, 3 módulos MCA foram de R$ 3071,38.

5 CONCLUSÕES A utilização dos módulos microprocessados para controle da irrigação diminuíram o número de horas/homem necessárias para irrigar os experimentos. O emprego da automação para controle da irrigação possibilita a diminuição de erros humanos durante as irrigações. O custo do sistema desenvolvido possibilita sua implantação, uma vez que seu custo foi considerado acessível para condução da irrigação em áreas experimentais. AGRADECIMENTOS Ao MCT, CNPq e FAPESP, pelo apoio financeiro a esta pesquisa, através do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Engenharia da Irrigação (INCT-EI). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AYARS, J. E.; PHENE, C. J. Automation. IN: LAMM, F. R.; AYARS, J. E.; NAKAYAMA, F. S. Microirrigation for crop production: Design, operation, and management. Amsterdam: Elsevier, Chap. 7, p MACKAY, S.; WRIGHT, E.; REYNDERS, D.; PARK, J. Practical industrial data networks: design, installation and troubleshooting. Oxford: Elsevier, 421 p PARK, J.; MACKAY, S.; WRIGHT, E. Practical data communications for instrumentation and control. Oxford: Elsevier, 389 p QUEIROZ, T. M.; BOTREL, T. A.; FRIZZONE, J. A. Desenvolvimento de software e hardware para irrigação de precisão usando pivô central. Engenharia Agrícola, Jaboticabal, v. 28, n. 1, p , 2008.