IRRIGAÇÃO INTELIGENTE

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1 IRRIGAÇÃO INTELIGENTE ANUÁRIO DA PRODUÇÃO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DISCENTE Vol. 13, N. 17, Ano 2010 Everton Silva Carvalho Luis Antonio O. Araujo RESUMO Curso: Engenharia Mecânica FACULDADE ANHANGUERA DE MATÃO Publicado no I Congresso de Iniciação Científica Instituto Sustentar Irrigação é uma técnica que tem por objetivo o fornecimento controlado de água para a plantação, mas nem sempre esse processo se mostra econômico. O projeto de irrigação inteligente, que em sua grande parte não é de origem brasileira, visa elaborar um sistema de distribuição da água junto à plantação de forma coerente, viabilizando economia de água, energia elétrica e mão de obra. O sistema é constituído por um controlador lógico programável (CLP), sensores de umidade do solo, válvulas direcionais, gotejadores/aspersores, bomba hidráulica e reservatório de água. Os sinais dos sensores de umidade serão supervisionados pelo CLP, que por meio das válvulas direcionais controlará os gotejadores/aspersores em diferentes regiões do plantio, de acordo com a necessidade de água no solo. Esse projeto contempla a construção de um protótipo do sistema em escala, simulando situações de falta de umidade e comparando, proporcionalmente, com o sistema de irrigação tradicional. Dentre as principais características deste projeto, podem-se citar: o uso de componentes de baixo custo e de origem brasileira, tomando este projeto acessível ao pequeno agricultor. O uso de valores de operação adaptados à realidade do país. Palavras-Chave: sensor de umidade; economia; irrigação; irrigação inteligente; aspersores. Anhanguera Educacional Ltda. Correspondência/Contato Alameda Maria Tereza, 2000 Valinhos, SP - CEP rc.ipade@unianhanguera.edu.br pic.ipade@unianhanguera.edu.br Coordenação Instituto de Pesquisas Aplicadas e Desenvolvimento Educacional - IPADE Publicação: 30 de junho de 2011 Trabalho realizado com o incentivo e fomento da Anhanguera Educacional 323

2 324 Irrigação Inteligente 1. INTRODUÇÃO Sabemos que é de grande importância conciliar o desenvolvimento econômico com a preservação ambiental, fazendo valer o atual modelo de crescimento econômico, conhecido como desenvolvimento sustentável, este sistema já é usado em diversos países (BOSSIO et al., 2010). Segundo dados do Instituto Internacional de Gerenciamento de Água em Agricultura (IWMI), a agricultura irrigada consome cerca de 70% da água doce disponível no mundo, sendo que, em muitos casos, apenas 40% desse montante é realmente aproveitado. Ainda segundo o IWMI, 93% da produção brasileira ainda utilizam sistemas de irrigação pouco eficientes. Técnicas desenvolvidas pelos egípcios à cerca de 3500 atrás. Estima-se que o uso de sistemas inteligentes de irrigação atinja cerca de 40% de economia em água, dentre outros benefícios. Porém não existe um sistema de irrigação brasileiro, desenvolvido para a nossa realidade do plantio, solo, clima e com tecnologia brasileira. Portanto, adaptando o sistema ao Brasil, é possível prever uma economia maior. 2. OBJETIVO Este trabalho tem como objetivo principal: uma elaboração de um sistema de irrigação inteligente, baseado principalmente no uso de sensores de umidade desenvolvido no país. Hoje, grande parte dos sistemas de irrigação inteligente vem de fora. Não apenas o projeto, como também, os componentes. Os objetivos secundários são: maior economia de recursos hídricos, elétricos e de mão de obra, além de ser um dos primeiros sistemas de irrigação inteligente baseado em sensores de umidade do solo do tipo cerâmico e nacional. O baixo custo do projeto também é um dos objetivos, o interesse é elaborar um sistema acessível e de fácil operação aos produtores. 3. METODOLOGIA Serão realizados estudos sobre as características da agricultura brasileira. Além da construção de um protótipo em escala de um sistema de irrigação inteligente, simulando situações e comparando com sistemas reais, não havendo a necessidade do preparo grandes áreas para cultivo.

3 Everton Silva Carvalho, Luis Antonio Oliveira Araujo DESENVOLVIMENTO O sistema é constituído por um CLP este é encarregado de fazer a leitura dos sensores de umidade e fazer a dosagem correta da água para que tenha um maior aproveitamento, este CLP será encarregado de ligar as bombas, que ira mandar água nos tubos, estes tubos terão mangueiras acopladas que serão encarregadas de fazer a distribuição da água. Quando o terreno estiver com a umidade desejada os sensores enviarão um sinal para o CLP para que ele desligue as válvulas Sensor de umidade É um sensor cerâmico do tipo capacitivo, ou seja, ele tem suas propriedades elétricas alteradas pela presença de água. O sensor é produzido pela prensagem de um pó cerâmico sintetizado por método químico. Este método torna o sensor nano-estruturado, por isso ele tem partícula e poros muito pequenos, o dá uma grande área superficial, facilitando a resposta elétrica quando a água entra em contato com ele. Ele mede a umidade do solo no local onde ele está colocado, mas se o solo é homogêneo quanto ao tipo (arenoso, ou argiloso etc.) com uma bateria de uns 4 sensores espalhados nessa área já seria possível determinar a umidade do solo. Se mudar o tipo de solo, então é necessário colocar outros sensores para maior precisão das medidas. O sensor a ser utilizado é cerâmico e com características capacitivas (Fig. 1). Estes têm propriedades elétricas alteradas pela presença de água. A umidade do solo será medida por sensores distribuídos pela área cultivada, sendo a profundidade do sensor no solo, um dos parâmetros de destaque. Figura 1. Sensor de umidade do solo, empresa Tracon (2009). O método de despejo da água é relevante na irrigação. Os principais são: gotejamento, que goteja água em alta freqüência e baixa intensidade e, é utilizado em culturas perenes, fruticultura, hortaliças e flores. Aspersão, lança jatos de água sobre a cultura na forma de chuva. Utilizado no Brasil, para a irrigação de pastagem, cana-de-

4 326 Irrigação Inteligente açúcar e café. Micro-aspersão possui eficiência maior que a aspersão convencional, sendo usado em culturas perenes Comprimento e profundidade para colocação do sensor de humidade A seguir informamos na tabela 1 os diversos comprimentos e profundidades de colocação no solo do sensor de umidade, para diversos tipos de cultivos, baseados na profundidade de solos bem drenados. Os aparelhos podem ser inclinados ou colocados mais rasos em solos mais leves ou superficiais. Para micro irrigação ou por gotejamento,recomenda-se profundidades de 30 e 60 e até 90 cm para cultivos com raízes mais profundas.

5 Everton Silva Carvalho, Luis Antonio Oliveira Araujo 327 Tabela 1. Indicação da profundidadde do sensor no solo (tracon 2009) Porque irrigar? A Irrigação garante aos produtores uma safra uniforme e independente da boa vontade de São Pedro. Minimiza o risco dos vultuosos investimentos que devem ser feitos hoje para que o agricultor faça suas plantações. O preparo da terra, os investimentos em maquinas, as sementes, herbicidas, inseticidas, adubos são todos muito caros para que o agricultor se arrisque a perder sua produção por falta de chuvas.

6 328 Irrigação Inteligente A irrigação garante a produção ao agricultor e a estabilidade econômica para os mesmos evitando os fracassos pelos efeitos da seca. Vantagens: Aplicação de água e nutrientes de forma controlada e conforme a necessidade da planta. Facilidade na aplicação da água e nutrientes. Alta eficiência no uso da água e nutrientes. Baixo mão de obra, reduz em ate 25%. Alta vida útil dos equipamentos. Baixo consumo de água, reduz até 40% Fortalece o desenvolvimento radicular. Evita erosão. Não se tem restrição quanto ao terreno (relevo e clima). No momento da irrigação/fertirrigação é possível se realizar outras atividades (pulverização, podas, inspeção de pragas etc.) Irrigação Irrigação é uma técnica utilizada na agricultura que tem por objetivo o fornecimento controlado de água para as plantas em quantidade suficiente e no momento certo, assegurando a produtividade e a sobrevivência da plantação. Complementa a precipitação natural, e em certos casos, enriquece o solo com a deposição de elementos fertilizantes Gotejamento Nesse sistema, a água é levada sob pressão por tubos, até ser aplicada ao solo através de emissores diretamente sobre a zona da raiz da planta, em alta freqüência e baixa intensidade. Possui uma eficiência na ordem de 90%. É utilizado majoritariamente em culturas perenes e em fruticultura, embora também seja usado por produtores de hortaliças e flores, em especial pela reduzida necessidade de água, comparado aos demais sistemas de irrigação. Pode ser instalado à superfície ou enterrado, embora esta decisão deva ser tomada analisando-se criteriosamente a cultura a ser irrigada.

7 Everton Silva Carvalho, Luis Antonio Oliveira Araujo Emissores Gotejadores Os gotejadores podem ser do tipo on line que compreendem os gotejadores que são acoplados à tubulação de polietileno após perfuração da mesma (Figura 2). Figura 2. Gotejador on line. Os gotejadores in line (Figura 3) são emissores que já vêm inseridos na tubulação de polietileno (foto abaixo). Qualquer que seja o tipo, eles podem ser normais ou auto-reguláveis (gotejadores cuja vazão varia muito pouco se a pressão variar). Figura 3. Gotejador in line Aspersão convencional Nos métodos de aspersão, são lançados jatos de água ao ar que caem sobre a cultura na forma de chuva. Existem sistemas inteiramente móveis, com a mudança de todos os seus componentes até os totalmente automatizados (fixos). No método convencional, a linha principal é fixa e as laterais são móveis. Uma alternativa extremamente interessante que tem sido utilizada pelos agricultores irrigantes é uma modificação na aspersão convencional, a chamada aspersão em malha, onde as linhas principais, de derivação e laterais ficam fixas, sendo móveis somente os aspersores (Figura 4). Esse tipo de sistema tem sido bastante utilizado no Brasil principalmente para a irrigação de pastagem, canade-açúcar e café.

8 330 Irrigação Inteligente Figura 4. Aspersor convencional Micro-aspersão A micro-aspersão possui uma eficiência maior que a aspersão convencional (90%), sendo muito utilizada para a irrigação de culturas perenes. Também é considerada irrigação localizada, porém, a vazão dos emissores (chamados micro-aspersores) é maior que a dos gotejadores Filtros A filtragem da água de irrigação constitui-se em uma medida eficaz na redução de bloqueios físicos dos emissores. Para isto, a escolha dos filtros deve ser realizada de acordo com o tipo de emissor e a qualidade da água, garantindo assim a prevenção de bloqueios dos emissores. A filtragem é realizada de modo que a água tenha que passar por orifícios tão pequenos que as impurezas possam ser retidas. Em geral esses orifícios possuem tamanho de 1/6 a 1/10 da menor passagem existente dentro dos emissores. 1 Disponível em: <

9 Everton Silva Carvalho, Luis Antonio Oliveira Araujo 331 Filtros Centrifugadores São filtros que separam partículas por mecanismos de força centrífuga. São muito utilizados para remover partículas de areia presentes em águas subterrâneas (Figura 5). Figura 5. Filtros centrifugadores. Filtros de Tela A tela pode ser de tela (plástico ou inox). A velocidade de filtragem é da ordem de 0.15 m/s. Os tamanhos vão desde pequenos filtros plásticos de ¾ polegadas até filtros metálicos automáticos de grande porte (Figura 6A e Figura 6B abaixo).

10 332 Irrigação Inteligente Figura 6 A. Filtros de tela Figura 6 B- Filtros de tela filtragem. A Tabela 2 a seguir apresenta as características geométricas de telas utilizadas na Tabela 2. Características de telas utilizadas na filtragem. Filtragem Mesh* Abertura (micra) * mesh refere-se ao número de aberturas em uma polegada (25.4mm). A limpeza dos filtros de tela pode ser manual ou automatizada. Toda vez que a diferença entre a pressão de entrada e a pressão de saída superar um valor prédeterminado, em geral 5 a 8 mca, ocorre a lavagem automática do filtro que pode ser auxiliada por escovas, dispositivos de sução etc. Filtros de Disco Nestes filtros a água é forçada a passar entre discos plásticos ranhurados, como mostra a Figura a seguir para um modelo já comercializado pela Rain Bird (Figura 7A e 7B).

11 Everton Silva Carvalho, Luis Antonio Oliveira Araujo 333 Figura 7A. Filtros de disco. Figura 7B. Filtros de disco Filtros de areia Esses filtros funcionam retendo impurezas num meio poroso. Normalmente a água é forçada a passar entre partículas de areia de 0,8 a 1,5 mm. Partículas de areia de 1.5 mm equivalem a 100 a 130 mesh, de 1.20mm (130 a 140mesh), de 0.78mm (140 a 180mesh), de 0.70mm (150 a 200 mesh) e 0.47mm (200 a 250 mesh). As partículas são em geral arestadas para reter com mais eficiência filamentos orgânicos. As partículas não possuem exatamente o mesmo diâmetro. Por isso são preparadas de modo que tenham coeficiente de uniformidade 1.2 a 1.5 (o diâmetro do orifício que deixa passar 60% das partículas é 50% maior que o diâmetro que deixa passar 10%) (Figura 8). Figura 8. Filtros de areia.

12 334 Irrigação Inteligente A velocidade da filtragem é tal que cada metro quadrado de seção transversal do meio poroso filtre aproximadamente 50 m3/h. A espessura do leito filtrante é da ordem de 40 a 50cm. Em geral, emprega-se mais de um tanque para possibilitar a retrolavagem (Figura 9A e 9B). Neste caso, enquanto um tanque filtra a água, no outro a água passa no sentido inverso, para expandir em cerca de 30% a areia, afastando os grânulos um do outro, possibilitando a saída das impurezas retidas. Figura 9A. Filtro de areia. Figura 9B. Filtro de areia. A areia dos filtros é trocada somente após vários anos de funcionamento (5 a 10 anos), bastando apenas completar anualmente, pois alguns grânulos podem escapar juntamente com a água da retrolavagem. A retrolavagem ocorre sempre que a diferença de pressão (entrada-saída) ultrapassar o valor de 5 a 8 mca. Este processo dura de 1 a 4 minutos, dependendo da quantidade de impurezas retidas. Para escolha do filtro a ser utilizado, é necessário conhecer o teor de sedimentos inorgânicos e orgânicos da água a ser filtrada. Em geral, pode-se empregar as seguintes recomendações mostradas na Tabela 3.

13 Tabela 3. Recomendações. Everton Silva Carvalho, Luis Antonio Oliveira Araujo RESULTADOS Foram estabelecidas parcerias com empresas interessadas, em que houve a tentativa da montagem de um protótipo para testes, que não foi concluído. Com a aplicação deste projeto pode-se obter uma redução de mão de obra de ate 25%, alta vida útil dos equipamentos, redução do consumo de água em ate 40% onde também pode ocorrer um aumento na produção, pois com apenas 4 sensores pode-se abranger uma área de ate m², dependendo do tipo de solo. 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com este estudo foi mostrado o quanto de água que é desperdiçada em nosso país com a irrigação e seus métodos antiquados. Com este projeto mostrado o desperdício de água pode diminuir em ate 40%, e fora isso ainda há um aumento de produção e uma safra mais uniforme. O projeto consiste em um sistema automático que é todo monitorado por sensores de umidade de solo (Figura 10), esses sensores farão a leitura do terreno e se houver a necessidade de irrigar ele emite um sinal para o clp que ira ligar as válvulas e acionar o sistema de irrigação, e quando já estiver na umidade desejada os sensores emitem um sinal para o clp desligar as válvulas. Este sistema seria viável, pois com ele o consumo de água seria reduzido, aumentaria a produção, diminuiria a mão de obra e assim preservaríamos mais ainda a nossa água, pois é o bem mais precioso que nos temos e não damos o valor necessário que merece.

14 336 Irrigação Inteligente Figura 10. Projeto de sistema para economia de água. REFERÊNCIAS AGRICULTURAL Water Management, BOSSIO, Deborah A.; GEHEB, Kim; CRITCHLEY, W. Managing water by managing land: addressing land degradation to improve water productivity and rural livelihoods. In: RABELO, L. M.; VAZ, C. M. P.; NETO, A. T. Sensor capacitivo para sondagem de unidade no perfil de solo. Comunicado técnico 71, EMBRAPA São Carlos, CITROSUCO. Apostila de treinamento: Irrigação. Citrosuco, Matão, NEVES JR, Giovane. Irrigação Inteligente: mais alimentos com menos água. Disponível em: < Acesso em: 23 set SENSI, Sensor de humidade de solo. Disponível em: < Sensi São Carlos TRACOM Imp. Exp. e Com Ltda. Sensor de umidade do solo Disponível em: < >. Acesso em: 24 ago