Protótipo Open Source de Sensoriamento Remoto em Ambiente Agrícola

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1 Protótipo Open Source de Sensoriamento Remoto em Ambiente Agrícola Alessandro Murta Baldi 1, Leandro Bomkoski Feuser 1 1 Câmpus Ponta Porã, Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Ponta Porã, Mato Grosso do Sul, Brasil, alessandromurtabaldi@gmail.com, leandrofeuser@hotmail.com RESUMO O presente artigo descreve um protótipo, construído com componentes e linguagens de programação de código aberto (Open Source), que faz a aferição do nível de umidade do solo, transmite dados para uma plataforma de Internet das Coisas e dela para Computadores e Celulares conectados. O sistema utiliza componentes de baixo custo e têm a sua montagem e programação facilmente modificáveis. Este protótipo visa contribuir no desenvolvimento agrícola através da economia de água. PALAVRAS-CHAVE: Agricultura, Arduino, Sistema, Processing. ABSTRACT This paper describes a prototype that measures the soil moisture level and transmits data to Internet of Things platform and for Computers and Cell Phones, built with open source components and programming languages. The system uses low cost components and have easily and modifiable mounting. This prototype aims to save water in agricultural environment. KEYWORDS: Agriculture, Arduino, System, Processing. INTRODUÇÃO O uso de sistemas computacionais está crescendo na sociedade e o uso de aplicações que fornecem dados em tempo real está ficando cada vez mais comum. O processo de troca de informações na atualidade é mais eficiente e rápido. O controle de informações à distância é necessário para que o custo operacional de manutenção seja menor, desta forma há a obtenção de respostas instantâneas a problemas e eventos (ALVES, L. J., 2010). É de grande importância a utilização dos sistemas computacionais para a solução de problemas na atualidade. A água é o recurso natural indispensável para a sobrevivência do ser humano e de seres vivos, uma substância fundamental nos ecossistemas da natureza e importante para a absorção

2 de nutrientes do solo pelas plantas. Sua elevada tensão superficial possibilita a formação de franja capilar no solo. Este recurso encontra-se cada vez mais limitado pelas ações impactantes do homem (VITAL; REGES; FERNANDO, 2000). A escassez de alimentos e a falta de água potável são dois dos maiores desafios que o mundo moderno precisará enfrentar. O sistema implementado visa impactar positivamente no meio ambiente, pois tem como principal objetivo a economia de grandes volumes de água. Além disso, é um sistema de baixo custo e utiliza componentes e linguagens Open Source (de código aberto), permitindo a modificação do projeto para adequação de necessidades específicas de forma fácil. MATERIAL E MÉTODOS Diante do exposto sobre a situação de escassez da água no mundo e do uso de sistemas com tecnologia de monitoramento remoto, foi desenvolvido o projeto com o intuito de ser um sistema de monitoramento agrícola de baixo custo que permita monitorar a umidade do solo e minimizar o desperdício de água. O projeto foi desenvolvido no Laboratório de Robótica de Ponta Porã (LARPP) da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Câmpus Ponta Porã através de pesquisa em fontes científicas, construção do hardware, implementação dos softwares e experimentação em vasos com solo. O sistema desenvolvido é constituído por uma rede de sensores nos quais integram uma central para recebimento e envio de dados (figura 1) e diversos nós comunicadores sem fio (figura 2) para a coleta da umidade do solo através de um sensor de baixo custo. Esses nós podem ser implantados de acordo com o interesse do produtor. Quanto maior a quantidade de nós, maior a quantidade de dados a serem coletados para análise.

3 Figura 1 Central. Fonte: (ARQUIVO) Figura 2 Comunicador Sem Fio. Fonte: (ARQUIVO) A central e os nós comunicadores foram produzidos a partir da plataforma de prototipagem em código aberto Arduino. Os dados aferidos pelos nós são enviados para a central pelo módulo comunicador NRF24L01 e da central são transferidos pelo shield ethernet conectado à internet para a plataforma em nuvem de internet das coisas (Internet of Things) Xively. O Xively se comunica com o aplicativo multiplataforma programado no ambiente de desenvolvimento e linguagem Processing para a aferição remota dos dados. Cada nó comunicador funciona de forma independente, possibilitando assim que o produtor faça a

4 análise pelo computador ou celular de uma determinada área e verifique se há a necessidade de irrigação, evitando o uso em excesso de água. Arduino O Arduino é uma plataforma de computação física em código aberto com base em uma simples placa micro controladora e um ambiente de desenvolvimento. O Arduino possibilita a conexão dos componentes de aferição e transmissão dos dados além da programação. O Arduino Mega 2560 (figura 3), utilizado na construção da central, possui um micro controlador ATMEGA2560 que opera com 5 volts e possui uma configuração de 54 entradas e saídas digitais, 16 entradas analógicas, 256KB de memória flash, 8KB de SRAM, 4KB de EEPROM e um clock de 16Mhz (Arduino, 2015). O Arduino UNO (Figura 4), utilizado na construção dos sensores, possui um micro controlador ATMEGA328 que opera com 5 volts e possui uma configuração de 14 entradas e saídas digitais, 6 entradas analógicas, 32KB de memória flash, 2KB de SRAM, 1KB de EEPROM e um clock de 16Mhz (Arduino,2015). Figura 3 Arduino Mega Fonte: (Arduino, 2015) Figura 4 Arduino Uno. Fonte: (Arduino, 2015) A utilização do Arduino foi escolhida devido ao baixo custo, à facilidade de integração com diversos componentes e à praticidade de modificar a programação e o Hardware, adicionando, testando e corrigindo funções.

5 Shield Ethernet W5100 O Shield Ethernet (figura 5), utilizado no projeto, possui a finalidade de conectar a central à internet através do cabo Ethernet. O Shield foi escolhido pela praticidade de encaixe na placa Arduino, compatibilidade com as bibliotecas disponíveis para programação e baixo custo. Figura 5 Shield Ethernet W5100. Fonte: (Open-Electronics, 2015) NRF24l01 O NRF24L01 (figura 6) é um módulo responsável pela transmissão das informações entre nós comunicadores e central. Sua frequência é de 2.4GHZ, possui um baixo consumo de energia (Ultra Low Power) e foi escolhido devido ao baixo custo e facilidade de manuseio (Nordic, 2015). Há a versão com antena que transmite em aproximadamente 1 quilômetro e sem antena que transmite em até 200 metros. Nos testes, utilizamos as duas versões. Figura 6 NRF24l01. Fonte: (Seedstudio, 2015) Sensor de Condutividade (Pregos Galvanizados) Os pregos Galvanizados (figura 7), em um circuito montado com o Arduino (figura 8), fazem a leitura da condutividade elétrica, desta forma há a aferição da umidade do solo e verificação de necessidade de água.

6 Figura 7 Sensor de Condutividade (Pregos Galvanizados). Fonte: (Agroferro, 2015) Figura 8 Esquema de montagem. Fonte: (Arquivo) Bateria de alimentação A Bateria de alimentação (figura 9) é utilizada para alimentar o Arduino do nó comunicador. Ela possui 10400mah em sua capacidade. Graças à otimização da programação do hardware e do NRF24L01 que tem um baixo consumo, a duração do nó ligado foi de até 15 dias ininterruptos. Figura 9 Bateria de Alimentação.

7 Fonte: (Arquivo) Caixa hermética A Caixa hermética (figura 10) foi utilizada para montar os componentes em seu interior e protegê-los das ações do tempo (vento, chuva, poeira e sol). Figura 10 Caixa Hermética. Fonte: (Arquivo) Softwares e bibliotecas O sistema em hardware (central e nós comunicadores) foi programado utilizando o ambiente de desenvolvimento (figura 11) e linguagem de programação Arduino com as bibliotecas de funcionamento mirf.h responsável pelo funcionamento do NRF24L01, avr/sleep.h responsável pelo gerenciamento de energia nos nós comunicadores, spi.h responsável pela comunicação SPI, ethernet.h responsável pelo funcionamento do shield ethernet, httpclient.h responsável pelas mensagens trocadas no shield ethernet e xively.h responsável pelo protocolo de comunicação do Xively. Figura 11 Ambiente de desenvolvimento Arduino.

8 Fonte: (Arquivo) O sistema em software (aplicativo) foi programado utilizando o ambiente de desenvolvimento (figura 12) e linguagem de programação Processing com a biblioteca eeml.h responsável pela comunicação com o Xively e com as bibliotecas oficiais do SDK Android. Este ambiente permite que o mesmo código programado para o aplicativo em Android seja utilizado na web e no desktop com alteração de poucas linhas. Figura 12 Ambiente de desenvolvimento Processing. Fonte: (Arquivo) Aplicação e Xively O sistema desenvolvido faz a comunicação com a Plataforma Xively (figura 13), da empresa LogmeIn, em envio de dados através do sistema em hardware e recebimento de dados através da aplicação em software. Essa plataforma possui o objetivo de simplificar a maneira na qual as empresas conectam os produtos e usuários através da internet. É responsável por conectar milhões de dispositivos pela internet, capturar informações, permitir o acesso às informações, administrá-las através de um painel de controle e salvá-las em nuvem para histórico. Também, possui uma diversidade muito grande em bibliotecas compatíveis com diversos hardwares e softwares (Xively,2015). Por ser um serviço em nuvem, dificilmente há a indisponibilidade do serviço, garantindo a robustez e segurança das informações. Figura 13 Plataforma Xively. Fonte: (ARQUIVO)

9 A aplicação faz a recepção dos dados do Xively, mostrando gráficos na tela (Figura 14) sobre a atual condição de umidade do solo. Figura 14 Gráficos na Aplicação em Desktop. Fonte: (ARQUIVO) em geral. Para mais detalhes, há um diagrama abaixo (figura 15) do funcionamento do sistema Figura 15 Diagrama de Funcionamento. Fonte: (Arquivo)

10 RESULTADOS E DISCUSSÃO A irrigação tem sido uma grande aliada no aumento da produtividade do campo. Com o crescimento populacional, a humanidade se vê compelida a usar a maior quantidade possível de solo agricultável, o que vem impulsionando o uso da irrigação, não só para complementar as necessidades hídricas das regiões úmidas, como para tornar produtivas as áreas áridas e semiáridas do globo, que constituem cerca de 55% de sua área continental total (Jorge; Raquel; Demetrios, 2015). A falta de controle na quantidade de água usada é o principal motivo do desperdício de água no setor agrícola. O agricultor tende a irrigar em excesso temendo que a planta sofra com falta de água. Foi verificado que o sistema funciona corretamente na medição dos níveis de umidade do solo e na transferência desses dados pela internet. Em comparação com outros equipamentos disponíveis no mercado, o sistema possui um menor custo e a praticidade de acompanhar à distância o nível de umidade do solo. Portanto, o sistema implementado resolve o problema do excesso de irrigação e falta de irrigação. Os resultados obtidos na construção do sistema possibilitaram a percepção do custo/benefício e da facilidade de manuseio do produto final. Como o sistema é Open Source, o produtor poderá facilmente modificar o projeto de forma a adequá-lo a suas necessidades. CONCLUSÕES O Arduino permitiu a flexibilização e facilidade de implementação que permitem ao agricultor um baixo custo de investimento na adequação às suas necessidades. Podemos observar que a relação de internet das coisas e campo torna o processo de plantio mais eficiente e econômico. Com o sistema, a aferição de dados é enviada diretamente a um serviço em nuvem de internet das coisas. Esses dados podem ser acessados através de um smartphone ou computador. Além disso, algoritmos de inteligência artificial que utilizam estes dados podem ser implementados de forma fácil. O projeto continuará avançando, incluindo novas tecnologias, sensores, inteligência artificial e novas funções de automação agrícola. O projeto também poderá ser adaptado a diferentes contextos e áreas. AGRADECIMENTOS Agradecemos o apoio financeiro do Programa de Educação Tutorial (PET - MEC).

11 REFERÊNCIAS Arduino, Site Oficial da Plataforma Arduino. Em: Acesso em: 05/2015. Nordic, Site Oficial da Nordic Semiconductor. Em: Acesso em: 05/2015. UFRJ, Site de informações da UFRJ. Em: Acesso em: 05/2015. UFRGS, Site de informações da UFRGS. Em: Acesso em: 05/2015. Alves, L. J. Instrumentação, Controle e Automação de Processos, 2ª ED., LTC, VITAL, P., S., P.; REGES, E., F., T.; FERNANDO, C., M. Comunicado Técnico - Recursos Hídricos, Agricultura Irrigada e Meio Ambiente. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental. v.4, n.3, p , MUKHERJI, A.; et. al. Revitalizing Asia s irrigation: to sustainably meet tomorrow s foodneeds. Colombo, Sri Lanka: International Water Management Institute; Rome, Italy: Food and Agriculture Organization of the United Nations, Jorge, E., F., W., L.; Raquel, S., A., F., Demetrios, C. O Uso Da Irrigação No Brasil. Em: wyiv80ispcrr5frxoq4.pdf. Acesso em 05/2015. Open-Electronics, Site Open-Electronics. Em: Acesso em: 05/2015. Seedstudio, Site Seedstudio. Em: Acesso em: 05/2015. Electronicpiece, Site Electronicpiece. Em: Acesso em: 05/2015. Manutencaoesuprimentos, Site Manutencaoesuprimentos. Em: Acesso em: 05/2015. Agroferro, Site Agroferro. Em: Acesso em: 05/2015. Xively, Site Oficial da Plataforma Xively. Em: Acesso em: 07/2015.