CONDUÇÃO AUTOMÁTICA DA REGA EM RELVADOS E JARDINS

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1 CONDUÇÃO AUTOMÁTICA DA REGA EM RELVADOS E JARDINS Rolim, J 1 ; Teixeira J.L 1 1 Centro de Estudos de Engenharia Rural, Instituto superior de Agronomia, Universidade Técnica de Lisboa, Tapada da Ajuda, Lisboa, Portugal, Fax: ; joaorolim@isa.utl.pt ; jlteixeira@isa.utl.pt Resumo O automatisa é um protótipo, que foi desenvolvido com a finalidade de efectuar a gestão automática de um sistema de rega de jardins e particularmente de relvados, baseando a decisão de rega na simulação do balanço hídrico, considerando a evolução ao minuto dos teores de humidade do solo. Ou seja, a decisão de quando e quanto regar, é tomada com base na medição de varáveis agroclimáticas e em parâmetros relativos ao uso da água por parte dos relvados. Assim sendo, este protótipo desempenha as mesmas funções de um ordenador de rega. Este software aplica-se apenas a um sector de rega, sendo específico para a aspersão por cobertura total. A utilização do protótipo na sua fase actual, requer uma estação meteorológica automática e um programa de controlo central que seja capaz de fornecer os inputs ao protótipo, e que tenha a capacidade de lidar com a informação produzida (outputs) por este. Este protótipo, foi concebido com a intenção de ser facilmente utilizado por quem gere a rega dos jardins, o que levou a que se optasse por uma interface user-friendly, sendo esta uma das principais razões que levou a que se construísse esta aplicação em Visual Basic. Palavras chave: Automatização, jardins, rega, relvados, simulação, software. Abstract The automatisa is a prototype, developed with the purpose of take the lawn s and garden s irrigation decision automatically, basing that decision on the simulation of the soil water balance, taking in to account, the evolution of the soil moisture using a calculation procedure with a minute time step. The irrigation times and volumes, are based on the measurement of the weather variables and on the parameters relative to crop (lawn) water use. This software is applied only to an irrigation sector, and is specific for set sprinkler systems. Field application of this prototype requires an automatic meteorological station and a main control program. This program supplies the inputs to the prototype and must have the capability to deal with the information produced (outputs). This prototype, was developed to be used easily by those who manage the gardens irrigation. A user-friendly interface was the main reason why we built this application in Visual Basic. Key Words: Automation, gardens, irrigation, lawns, simulation, software. 1

2 Introdução O desenvolvimento tecnológico leva a que hoje em dia se tornem cada vez mais acessíveis equipamentos para a automatização da rega, com especial relevância no caso dos relvados e jardins. Assim sendo, torna-se bastante oportuno o desenvolvimento de software que permita uma utilização mais eficiente desses equipamentos. Se conseguirmos determinar com precisão as quantidades de água correspondentes às necessidades hídricas das plantas (Pereira e Allen, 1999) e qual o tempo exacto da sua aplicação, pode-se reduzir significativamente os consumos de água e de energia. Portanto, pretende-se que a condução da rega seja efectuada de forma automática, mas em função das necessidades hídricas das plantas. Deste modo olha-se para a automatização, não apenas como uma forma de reduzir os custos de mão-de-obra, mas antes como uma forma de se aumentar o rigor na condução da rega (Tarjuelo 1999). É neste contexto que surge o protótipo automatisa, que foi desenvolvido com a finalidade de conduzir a rega dos relvados e jardins em tempo real e de forma automática, baseando a decisão de rega na simulação do balanço hídrico, considerando a evolução ao minuto dos teores de humidade do solo, utilizando para isso os dados fornecidos por uma estação meteorológica automática. Deste modo, a condução da rega é efectuada de uma forma rigorosa, fornecendo-se apenas as quantidades de água necessárias para satisfazer as necessidades das plantas e na altura mais oportuna. Material e métodos Descrição do protótipo Este protótipo foi concebido como um bloco de código independente que recebe os dados de um programa de controlo central, processa a informação e lança os seus outputs nesse mesmo programa. A aplicação informática, base do automatisa, deverá estar continuamente a correr no computador de modo a garantir uma permanente comunicação com o programa central. Deste modo a leitura dos dados, assim como a respectiva ordem de rega a ser transmitida ao programa central (para a abertura e fecho das electroválvulas), pode ser feita com um intervalo de tempo correspondente à fracção da hora desejada. De uma forma muito sintética, pode dizer-se que este protótipo idealiza a rega de um relvado ou jardim hipotético com as seguintes características: i) um único sector de rega, ii) sistema de rega por aspersão por cobertura total, iii) o jardim encontra-se coberto apenas por um relvado. Tiercelin (1997) defende que se pode admitir que a evapotranspiração das culturas ornamentais corresponde à evapotranspiração de referência ET O (Allen et al, 1998). No entanto, neste protótipo, optou-se por considerar que as necessidades de rega dos jardins correspondem às necessidades dos relvados, por se considerar que esta aproximação se adequa melhor à realidade e porque confere uma maior flexibilidade ao programa. Comunicação entre o protótipo e o restante sistema de rega Na Figura 1 apresenta-se o modo como o protótipo se pode interligar com um sistema de gestão da rega de jardins. Nela pode-se constatar que o protótipo deve funcionar associado a um programa de controlo central, que efectua ligação com o restante sistema de rega recebendo e tratando os dados provenientes da estação meteorológica 2

3 automática. A comunicação entre o protótipo e o programa de controlo central realiza-se através de impulsos de informação nos dois sentidos, que se efectuam com um intervalo de tempo configurável pelo utilizador, que deve ser igual ou inferior a 1 hora. No caso concreto deste artigo considerou-se um intervalo de um minuto. Estação Meteorológica (produz informação) Computador - Programa de controlo central - (efectua a gestão) Equipamentos de rega (executa a ordem) Dados meteorológicos Intervalo de tempo de transacção de dados Ordem de rega Protótipo (toma a decisão de rega) Figura 1 - Esquema geral do protótipo automatisa. Questões levantadas pela utilização de diferentes intervalos de tempo Uma questão central neste algoritmo prende-se com os intervalos de cálculo considerados, a hora e o minuto. O cálculo da ET O tem um passo de tempo de uma hora, por questões ligadas com a metodologia adoptada, FAO Penman-Monteith (Allen et al, 1998), mas pretendia-se que a decisão de rega fosse tomada com um intervalo de tempo inferior à hora. Assim sendo, teve que se conceber o balanço hídrico com dois passos de tempo. O de previsão, no caso ao minuto, permite tomar a decisão de rega na próxima hora, utilizando para tal uma ET O prevista. Deste modo, teve que se criar uma metodologia para prever a ET O, ao longo da hora que se inicia, que permitisse efectuar o balanço hídrico para intervalos de tempo correspondentes a uma fracção da hora. A etapa de previsão realiza o balanço hídrico ao minuto, e irá servir como um modo de prever o valor de armazenamento de água no solo, enquanto ainda não se possui os dados definitivos que nos permitam calcular o balanço hídrico do solo. No final da hora, realiza-se a fase de correcção, com base nos valores efectivamente medidos ao longo da hora que passou, correspondentes à evapotranspiração, precipitação e à dotação de rega acumulados ao longo dessa hora. O valor da ET O utilizado no balanço de correcção, é o que foi calculado com base nos dados fornecidos pela estação meteorológica, e assim sendo o balanço hídrico pode ser calculado de uma forma rigorosa. Metodologia para a previsão da ET O Neste programa, a ET 0 prevista para a próxima hora, é estimada em função dos valores de ET 0 anteriormente calculados, por meio do ajustamento de uma parábola (Figura 2). Ao início do dia, uma vez que o valor da ET 0 das horas anteriores é nulo, a previsão é feita com base numa extrapolação linear. 3

4 ET O Y(3) ET O prevista para a próxima hora Y(2) Y(0) Y(1) Horas Figura 2 - Esquema do modo de previsão da ET O da próxima hora, segundo uma parábola. Algoritmo de cálculo De uma forma muito genérica o algoritmo de cálculo (Figura 3) consiste na entrada de dados meteorológicos para o programa, efectuando posteriormente o cálculo da ET O e do balanço hídrico do solo, terminando na rotina de cálculo da decisão de rega, que dá a ordem de rega e calcula as dotações a aplicar, considerando as configurações prédefinidas pelo utilizador. A rotina da evapotranspiração de referência, desempenha essencialmente duas funções: Cálculo da ET O da hora que passou e previsão da ET O da hora que se inicia (minuto). Devido à complexidade das rotinas do balanço hídrico e da decisão de rega, descreve-se em seguida a sua utilização ao longo do período de previsão. Programa de Controlo Central Precipitação (minuto) (hora) -Humidade relativa -Temperatura -Radiação solar Dados agronómicos Configuração do programa pelo utilizador Dados característicos da rega -Restrições Características do sistema de aspersão Inputs do automatisa - Dados meteorológicos - ET O calculada (hora) ET O prevista (minuto) Balanço hídrico - Correcção (hora) - Previsão (minuto) Armazenamento final de água no solo Dotação aplicada Rotina da Decisão de rega output do automatisa - Ordem de rega - Ordem de rega Figura 3 - Esquema genérico do algoritmo de cálculo do automatisa A rotina do balanço hídrico que comanda a decisão de rega é efectuado com um intervalo de um minuto, para que a rega seja iniciada no preciso momento em que é atingido algum limiar de humidade do solo, como limite abaixo do qual não se quer que a reserva de água no solo desça (Teixeira 1989), aumentando-se assim o controlo e a precisão sobre a condução da rega. A metodologia utilizada para o cálculo do balanço hídrico (Eq. 1) é aquela proposta por Teixeira (1989), Fernando (1998) e Pereira (2004). 4

5 S final = S + P + I + ET Dp (1) inicial C Sendo: S final armazenamento final de água no solo; S inicial armazenamento inicial; P precipitação; I dotação de rega; DP drenagem profunda. A rotina do balanço hídrico funciona em ciclo fechado, calculando em primeiro lugar o balanço de previsão ao minuto, efectuando posteriormente o balanço de correcção quando a hora muda. O balanço de previsão parte do valor da reserva inicial e efectua o balanço hídrico de acordo com a Eq. 1. Em cada minuto que passa a rotina do balanço hídrico comunica à rotina de decisão de rega qual o armazenamento final de água no solo e esta verifica se já se atingiu o limite da reserva facilmente utilizável ou o limite inferior de gestão. Caso se atinja um destes limites, a rotina de decisão de rega verifica se pode ou não dar a ordem de rega em função das opções adoptadas. Ao ser desencadeada a ordem de rega, este programa assume que a água irá ser fornecida ao solo a uma taxa correspondente à taxa de aplicação dos aspersores, terminando a rega quando a dotação acumulada ao longo do tempo igualar a dotação a aplicar. No final da hora, o valor da dotação a aplicar, irá ser corrigido para os valores de armazenamento de água no solo obtidos pelo balanço de correcção. A rotina de decisão de rega toma a decisão de rega, iniciando ou interrompendo o fornecimento de água em função das seguintes informações: i) Armazenamento de água no solo; ii) Precipitação ocorrida; iii) Restrições de rega (horários e dotações); iv) Dotação acumulada; v) Tempos de rega. Figura 4 Janela do balanço hídrico de correcção. Num programa utilizado em tempo real, deve existir a possibilidade de incorporar informações (feedback) provenientes de observações de campo (Pereira et al, 1995). Assim sendo, se for determinado através de medições de campo qual o nível de armazenamento de água no solo, podemos facilmente introduzir esse valor no programa (Figura 4), o que permite que se efectuem ajustes durante o seu funcionamento. 5

6 Estrutura de dados Os dados utilizados por este protótipo podem ser divididos em três conjuntos: dados de entrada ou inputs, dados de configuração do programa e dados de saída ou outputs. Dados de entrada (inputs): Como dados de entrada temos os dados provenientes da estação meteorológica, uma vez que provêm do exterior do protótipo. Deste modo, os dados meteorológicos que o programa de controlo central tem que fornecer, são os seguintes: i) Humidade relativa (média horária); ii) Temperatura (média horária); iii) Radiação (valor horário); iv) Velocidade do vento (média horária); v) Precipitação (minuto). Configuração pelo utilizador: Os dados introduzidos nas diversas janelas desta aplicação, como se exemplifica na Figura 5, constituem os dados de configuração do programa uma vez que ficam internos ao próprio protótipo. Podemos ainda distinguir os dados para configuração do programa e que são obrigatórios (dados agronómicos, dados características da rega e da estação meteorológica), dos dados para correcção do programa que são facultativos (valor do armazenamento de água no solo medido no campo). Assim sendo, estes dados são os seguintes: i) Caracterização do perfil do solo da parcela a ser regada; ii) Características da estação meteorológica; iii) Características do relvado em questão; iv) Teor de humidade inicial do solo; v) Nível de armazenamento de água no solo (opcional para correcção); vi) Características do sistema de aspersão; vii) Esquema de rega adoptado. Figura 5 Janela da evapotranspiração de referência. Dados de saída (output): A informação que é lançada por este protótipo para o programa de controlo central, ou seja o seu output, consiste apenas numa ordem para regar ou não regar, que é gerada em cada minuto que passa. Este output traduz-se pelos valores 1 ou 0, consoante a ordem seja respectivamente para regar ou não regar (Figura 6). Deste modo, a comunicação do output deste protótipo com o programa central faz-se de um modo muito semelhante a um interruptor, em que é dada apenas uma ordem para ligar (1) ou desligar (0). Um 6

7 único dado de saída do tipo on/off torna este protótipo mais facilmente adaptável a diferentes sistemas de automatização da rega, uma vez que estes apenas terão que lidar com um único valor para desencadear as acções necessárias para iniciar ou parar a rega conforme o valor apresentado. Figura 6 janela da decisão de rega a dar a ordem de rega. Aplicação do Protótipo O protótipo, destina-se, como já foi referido, a ser integrado num programa central de controlo da rega de um jardim, que pode efectuar manobras nu intervalo de tempo prédefinido. Para testar a aplicabilidade do protótipo, este foi integrado no sistema de automatização da rega da empresa Engirega, para se realizarem testes que permitam fazer a sua validação e, em que possa sair demonstrada a sua aplicabilidade e relevância para a rega dos jardins. Nesta aplicação o programa de controlo central fornece a este protótipo os dados provenientes da estação meteorológica e, posteriormente, recebe como saída deste programa uma ordem de rega. Com base nesta ordem de rega, o programa de controlo central irá desencadear os processos necessários (ligar as bombas, accionar as electroválvulas, etc.), de modo a que a decisão de rega se traduza na acção de regar os jardins, como se representa esquematicamente na Figura 7. Sistema de gestão automática da rega - Engirega Estação meteorológica automática Computador Programa de controlo central Sistema de rega (electroválvulas, bombas, aspersores) Dados meteorológicos Ordem de rega AutomatISA Figura 7 - Esquema genérico da aplicação deste protótipo no sistema Engirega. 7

8 Conclusões As vantagens que este protótipo apresenta para a rega dos relvados e jardins, são o de permitir que as dotações a aplicar sejam efectuadas de acordo com as necessidades das plantas, garantindo uma utilização mais racional dos recursos hídricos. Por outro lado as diversas opções que possui quanto ao esquema de rega permitem uma maior flexibilidade na gestão da rega. Como resultado dos ensaios de campo efectuados, parte da sua metodologia foi transposta para o sistema de automatização da empresa Engirega. O automatisa, pode ser classificado como o software de um ordenador que toma a decisão de rega através de medidas indirectas, (simulação do balanço hídrico do solo com base em parâmetros climatológicos). Portanto, toma a decisão de rega, com base em estimativas e não em medições directas de teores de humidade do solo, que em princípio teriam uma maior precisão. No entanto, este protótipo não está tão sujeito a erros de instalação nem de calibração como no caso das sondas e outros tipos de sensores. Para além disso, pode ser aplicado a áreas maiores, uma vez que considera a simulação para situações médias. Futuros desenvolvimentos deverão possibilitar ao programa ter em conta os diversos sectores de rega que normalmente compõe os jardins e, também contemplar os sistemas de microrrega, pela expressão que estes apresentam na rega de jardins. Outra vertente a desenvolver será a expansão do seu domínio de aplicação à agricultura de regadio. Agradecimentos Ao Engenheiro Francisco Manso, responsável pela empresa Engirega, agradece-se a colaboração prestada durante o desenvolvimento deste protótipo. Referências bibliográficas Allen, R.G.; Pereira, L.S.; Raes, D. e Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration. Guidelines for computing crop water requirement. FAO Irrigation and Drainage Paper n. 56, FAO, Rome. Fernando, R.M. (1998). Balanço Hídrico do Solo, Instituto Superior de Agronomia, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa. Pereira, L.S.; van den Broek; Kabat, P. e Allen, R.G. (1995). Crop-Water-Simulation Models in Practice. Wageningen Pers, Wageningen. Pereira, L.S. e Allen, R.G. (1999). Crop water requirements, In: H. Van Lier, L. S. Pereira and F. Steiner (Eds.), CIGR Handbook of Agricultural Engineering, vol. I: Land and Water Engineering, American Society of Agricultural Engineers, St Joseph, MI: Pereira, L.S. (2004). Necessidades de Água e Métodos de Rega.. Publicações Europa-América, Lisboa. Tarjuelo Martín-Benito, J.M. (1999). El Riego por Aspersion y su Tecnología, 2ª ed., Mundi- Prensa, Madrid. Teixeira, J.L. (1989). Modelos de programação e condução da rega. Dissertação de Doutoramento, Instituto Superior de Agronomia, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa. Tiercelin, J.R. (1997). L irrigation des parcs et jardins. Centre National du Machinisme Agricole, du Genie Rurale, des Eaux et des Forets, Paris. 8