Automação de Casa de Vegetação com RSSF utilizando técnicas de decisão e Automação

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1 Automação de Casa de Vegetação com RSSF utilizando técnicas de decisão e Automação Lucas Scarin Da Silva Pontifícia Universidade Católica de Campinas CEATEC Lucas.ss3@puccamp.edu.br Pf. Dr. Omar Carvalho Branquinho Sistemas de Telecomunicação Gestão de Redes e Serviços branquinho@puc-campinas.edu.br Resumo: As mudanças climáticas verificadas ao longo dos últimos anos têm sido uma preocupação a mais para o agricultor. Chuva em excesso, geada fora de época, granizo, seca, entre outros fatores fazem com que a produção agrícola diminua drasticamente ou tenha perda total em alguns casos. Uma alternativa viável aos produtores rurais que desejam assegurar a produção de variedades em qualquer época do ano, independente das condições climáticas, é o cultivo protegido. Contudo a criação de uma casa de vegetação automatizada pode ser muito útil no cultivo de culturas que não são possiveis em determinadas regiões no Brasil e no mundo. Estudando e desenvolvendo para isto técnicas de controle, que consigam monitorar e ser capaz de tomar decisões para manter um clima suscetível à produção de qualidade, indo à busca de uma agricultura de precisão. As estratégias são realizadas em tempo real, para que haja aquisição e processamento de dados a todo o momento, para melhor controlar o ambiente. A criação de um ambiente protegido pode proporcionar o cultivo de plantas tropicáis no Sul do Brasil, ou até evitar umidades excessivas na Amazônia, que causa grande incidência de doenças. Palavras-chave: Agricultura, casas de vegetação, rede de sensores sem fio. Área do Conhecimento: Elétrica 1. INTRODUÇÃO Com a vinda da globalização, estamos sendo bombardeados por interações inimagináveis da tecnologia com diversas áreas, em busca de aperfeiçoamento e automatização de recursos que possam possibilitem baixar custos, aperfeiçoar e facilitar ações que no passado eram realizadas manualmente ou até mesmo, não realizadas até os dias de hoje por falta de recursos. Para isso, a interação de pessoas ligadas à área da tecnologia com diversas áreas inusitadas estão ocorrendo, com o intuito de conseguir aprimorar seus conhecimentos e de alguma forma ajudar com a modernização de diversas situações. O projeto de uma casa de vegetação automatizada visa o aprimoramento das técnicas de agricultura em um ambiente totalmente climatizado a favor de uma melhor qualidade e redução de perdas na produção. Essa interação tecnologia com o meio agrícola, não traz apenas comodidade, mas também sofisticação a técnicas de cultivo trazendo uma melhora significativa à produção. O que seria um grande avanço para ambos os lados que juntos podem causar um grande impacto gerando demanda e procura para tal sistema. 2. AGRICULTURA DE PRECISÃO Altas temperaturas, excesso de chuvas ou secas, granizo, são preocupações constante dos produtores rurais. As diferenças climáticas prejudicam e muito tanto a qualidade como a rentabilidade da produção, prejudicando drasticamente o rendimento do negócio. Uma solução para esses problemas, seria a implementação de uma agricultura protegida. A agricultura protegida consiste na possibilidade de certo controle de variáveis climáticas como temperatura, umidade do ar, vento, entre outras. E esse controle de climatização reflete uma efetiva melhora na produtividade, e reduz o efeito da sazonalidade. Esse benefício é mais evidente em regiões de clima frio, já que o calor acumulado dentro das estufas viabiliza a produção de certas culturas fora de época, além de encurtar o ciclo produção [1].

2 Os gastos com controle de pragas e doenças também pode ser reduzidos no cultivo protegido. Isso é observado especialmente na produção de mudas. As plantas geradas em estufas, por exemplo, tem menor incidência de pragas e doenças, o que torna o produto mais limpo ao ser plantado comercialmente em campo aberto ou fechado [1]. Porém, apenas a cobertura de uma estufa protegida não é o suficiente, é preciso ter estratégia de manejo, conhecer as especificações da planta para que seja cultivada da melhor forma, bem como as técnicas de cultivo para que o ambiente seja controlado para atender a necessidades fisiológicas da planta. Portanto, a implementação de uma rede de sensores sem fio (RSSF), capaz de controlar grandezas climáticas e armazenar dados coletados de dentro do ambiente protegido, traria maior comodidade e uma maior viabilidade ao produtor. Uma vez que não ha necessidade de interferência humana no ambiente protegido, este apresenta maior chance de se manter estável (sem alterações nas grandezas que estão sendo controladas), deixando o interior da estufa o mais controlado possível. A RSSF, além de viabilizar toda esta facilidade, também permite ao produtor uma otimização em locais pouco apropriados para a pratica de cultivo em estufas. 3. METODOLOGIA 3.1 Sistema de Realização de Medidas e Controle Para a realização das medidas das grandezas dentro da estufa optou-se pelo sensor SHT75, por ser digital e apresentar grande variação nos valores de temperatura e umidade. Quanto ao controle, utilizaram-se três atuadores: um cooler capaz de tirar o calor de dentro da estufa, um ventilador para colocar tanto calor como refrescar o interior da estufa e um umidificador. 3.2 Plataforma Radiuino Diante da necessidade de enviar e receber dados oriundos de um sensor era preciso uma plataforma que fosse capaz de realizar esse trabalho, cujos requisitos fossem open-source, de baixo custo e com biblioteca ampla e acessível para suporte ao trabalho. Desta forma a escolha se deu sobre as plataformas Radiuino. Os projetos desenvolvidos nessa plataforma se dividem em três: Base, Nó sensor e Nó atuador Base O rádio da base é como se fosse o cérebro de todo o sistema. Ele é o responsável por mandar e receber os pacotes com os comandos para realizar as medidas de temperatura e umidade. Quando recebidos os pacotes de volta, a base analisa o que deve ser feito no ambiente interno da estufa (aumentar temperatura, aumentar umidade etc.). Portanto, a base é a encarregada por interligar o nó sensor, para realização das medidas de temperatura e umidade, e o nó atuador, sempre através dos comandos no código de controle desenvolvido em Python Nó sensor Figure 1 - Base O sensor de temperatura e umidade está ligado a esse rádio. Ele é o encarregado de receber os comandos da base de aferição das grandezas (temperatura e umidade), e quando prontas, montar um novo pacote para retornar a base. Figure 2 - Nó sensor Na Figure 3 está o sensor utilizado para a realização das medições de temperatura e umidade na estufa.

3 Nó atuador Figure 3 - Sensor SHT75 [4] A Figure 4 apresenta o atuador, responsável pelo controle das grandezas dentro da estufa. Este atuador permite o controle de seis dispositivos para acionar qualquer tomada de acordo com os resultados das medidas realizadas pelos sensores. Mantendo dessa forma as condições do ambiente (temperatura, umidade, etc.) de acordo com os padrões necessários para a vegetação. Para testar a comunicação entre os rádios utilizou-se o Radiuino Testes [3], que permite criar pacotes prédefinidos de 52 bytes, onde é possível informar os valores de cada byte, para ser enviado para o nós sensor. Caso o nós sensor responda à requisição significa que houve a conectividade entre a base e o nó sensor. Figure 4 - Nó atuador 4. DESENVOLVIMENTO O ponto chave para que o projeto funcionasse da forma esperada era à interação de todos os elementos gerando uma única resposta. Primeiramente criou-se a rede de sensores sem fio (RSSF), configurando os rádios de forma que estes conseguissem se comunicar um com o outro. A rede consistia em o Nó sensor realizando as aferições, o Nó atuador controlando os atuadores e a Base interligando todos. Figure 5 - Radiuino Testes Com a RSSF pronta com relação à comunicação dos rádios, a próxima etapa foi à criação do código de controle. Os principais pontos no código são as definições das variáveis, a criação de pacote (que será enviado aos rádios), a realização de medidas e a atuação de controle das grandezas. As grandezas que estavam sendo aferidas foram: temperatura interna, temperatura externa, umidade interna e umidade externa. Para cada uma foi definida uma variável que levaria o valor da grandeza, e que assim o código entende-se do que se tratava. A criação dos pacotes era feita de duas formas, uma quando a base enviava para o Nó sensor o comando para realizar as medidas, e quando a base quer que o Nó atuador ligue algum dos atuadores. O código passou por duas etapas. Na primeira foi desenvolvido um código somente para medidas, sem a lógica Fuzzy. Após os testes serem bem executados, foi desenvolvido um código com a lógica Fuzzy. Como foi citado à lógica Fuzzy trata de diversas grandezas ao mesmo tempo. Em outras palavras, o conceito Fuzzy pode ser entendido como uma situação em que não e possível responder simplesmente "sim" ou "não". Mesmo conhecendo as informações necessárias sobre a situação, dizer algo entre "sim" e "não", como "talvez" ou "quase", torna-se mais apropriado.

4 Diferente da Lógica Booleana que admite apenas valores booleanos, ou seja, verdadeiro ou falso, a lógica difusa ou Fuzzy, trata de valores que variam entre 0 e 1. Assim, uma pertinência de 0.5 pode representar meio verdade, logo 0.9 e 0.1, representam quase verdade e quase falso, respectivamente [5]. Com a necessidade de lidar com a complexidade dos problemas, a teoria da probabilidade era usada com sucesso em muitas áreas da ciência, porém com mais dificuldade de tratar a incerteza. Um exemplo disso era considerar o período meia-idade que começa em 35 anos e termina em 55 anos [2]. Utilizando a lógica tradicional, uma pessoa com 34 anos só iria pertencer a esse grupo após completar seu 35 aniversário. E uma pessoa que tenha 56 anos não faria parte de tal grupo. A Figure 6 mostra a definição de meia idade segundo a teoria de conjuntos convencional. Figure 6 - Definição de meia idade pela lógica convencional Já na Figura 7, e apresentada a definição de meia idade segundo a teoria Fuzzy. Nota-se que o grau de pertinência que uma pessoa de 25 anos pertença a tal grupo e muito menor em relação a uma pessoa de 45 anos. Figure 7 - Definição de meia idade pela lógica Fuzzy A lógica difusa e uma ferramenta capaz de capturar informações vagas, em geral, descritas em linguagem natural e convertê-las para um formato numérico, de fácil manipulação [6]. 5. TESTES E ANÁLISE DE RESULTADOS Todo o processo de testes da estufa envolveu duas etapas: a de saber as condições possíveis em que a estufa é capaz de trabalhar e o teste de execução destas condições implementando a lógica Fuzzy que foi proposta. Mas antes da lógica ser implementada no código, regras de controle foram estabelecidas para servirem de parâmetros quando os comandos forem executados. Essas regras foram obtidas de acordo com os primeiros testes realizados de estabilização na estufa, que serviram de parâmetro para chegar às regras abaixo: Tabela 1 Regras de Controle Regras Umidificador Cooler Exaustor Temp.INT> Temp.EXT Temp.INT < Temp.EXT Umid.INT < Umid.EXT Umid.INT > Umid.EXT LIgado Para realizar os testes com a implementação da lógica Fuzzy, situações de aumento e diminuição das grandezas dentro da estufa foram criadas. O propósito inicial é o de avaliar o quão rápido o código reagiria de acordo com as variações dentro do ambiente protegido.

5 Na Figura 8 abaixo esta o gráfico de simulação do teste: Figura 8 - Gráfico de simulação dos testes Acima na Error! Reference source not found.8, quando a temperatura interna começa a aumentar e a temperatura externa se mantém abaixo, os atuadores cooler e exaustor serão acionados de acordo com as regras definidas. Os atuadores serão acionados uma vez que com os dados obtidos pelos sensores são analisados pelo código de controle. Isso irá acontecer todas as vezes que houver uma alteração no ambiente interno da estufa. Como é o caso do umidificador, uma vez que a umidade externa esta mais elevada que a interna. Após algum tempo acionado, o aquecedor mantém uma situação dentro da estufa, e quando desligado, os valores de temperatura voltam a se estabilizar por conta dos atuadores que se acionaram (pode ser notada a estabilização no gráfico acima). 6. CONCLUSÃO Com a rápida expansão da utilização das casas de vegetação protegida pelo mundo, trazer um diferencial pode ser algo que torne essa técnica muito mais vantajosa. Com sensores precisos, atuadores capazes de controlar e modificar o ambiente dentro dessas casas pode permitir o cultivo de diversas culturas em diferentes épocas do ano. Utilizando a rede de sensores sem fio (RSSF) para monitoração dessas agriculturas de precisão pode ser algo possível e desejável. Simplesmente por não haver a necessidade de controlar e monitorar manualmente todos os pontos importantes de uma agricultura. Permitindo controlar diversas grandezas ao mesmo tempo. O projeto permite esse manuseio das casas de vegetação de forma prática e simples. Toda a interface utilizada para monitoração no projeto é simples, fácil e viável em uma aplicação recorrente no dia a dia, tornando possível a implementação nos ambientes mais impossíveis de houver uma plantação. AGRADECIMENTOS Agradeço, em especial, a Desirée Baldin Damame, formada em Engenharia Ambiental e aluna de mestrado de infraestrutura urbana da Pontifícia Universidade Católica de Campinas Puccamp, que auxiliou gentilmente na consolidação das regras de controle da casa de vegetação. REFERÊNCIAS [1] [CEPEA] t_capa.pdf, Acessado 04/06/2015 [2] [MUKAIDONO], Mazao. Fuzzy Logic for Beginners. Singapore: World Scientific, [3] [RADIUINO] Acessado 20/06/2015 [4] [SENSIRION] Acessado 10/12/2014 [5] [SILVA], Renato Afonso Cota. Inteligência artificial aplicada a ambientes de Engenharia de Software: Uma visão geral. Universidade Federal de Viçosa, [6] [WAGNER], Adile a. Extração de Conhecimento a partir de Redes Neurais aplicada ao problema da Cinemática Inversa na Robótica. Universidade do Vale do Rio dos Sinos, 2003.