Uma Visão Geral da Aplicação de Sensores em Máquinas Agrícolas Felipe Tozetto Costa 1, Luis Miguel Schiebelbein 3, Max Mauro Dias Santos 2, Sergio Luiz Stevan Jr. 1,2 1 Programa de Pós Graduação em Computação Aplicada, Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, Paraná, Brasil, felipetcosta@hotmail.com, sstevanjr@utfpr.edu.br 2 Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, Paraná, Brasil, maxsantos@utfpr.edu.br, sstevanjr@utfpr.edu.br 3 Programa de Pós Graduação em Agronomia, Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, Paraná, Brasil, luismiguelschiebelbein@gmail.com RESUMO O presente trabalho tem por objetivo realizar uma visão geral da aplicação de Sensores em Máquinas Agrícolas. O foco principal é o estado da arte da utilização dos sensores em algumas áreas, tais como Sensores para estação de monitoramento de microclima, Sensores de Solo, Sensores de Veículos Agrícolas e Implementos e Sensores para Agricultura de Precisão. Além de uma discussão a respeito do que pode ser desenvolvido no futuro com maior utilização de sensores nas máquinas agrícolas, principalmente a Fusão de Sensores, este trabalho conclui e realça a importância da utilização dos mesmos para o futuro e evolução da produção agrícola. PALAVRAS-CHAVE: Máquinas e Implementos Agrícolas, Dispositivos Eletrônicos, Produção Agrícola. ABSTRACT This work presents an overview of the main sensors applied on Agricultural Machinery. The state of the art of using of sensors is discussed in the main areas, such as microclimate monitoring station sensors, soil sensors, agricultural implements vehicles sensors and sensors for precision agriculture. This discussion treated about the future of the sensors in agricultural applications, in special the fusion of sensors and discussed their application on the future and evolution of agricultural production. KEYWORDS: Machinery and Agricultural Implements, Electronic devices, Agricultural Production.
INTRODUÇÃO A evolução das máquinas e implementos agrícolas, desde seu surgimento no século XIX, foi essencial para a agricultura, possibilitando ganho agrícola focado em qualidade e produtividade, resultando em crescimento da oferta de produtos derivados da agricultura no mundo e também mudando a trajetória das técnicas de produção em geral. Com essa evolução, a utilização de tecnologia nas máquinas e implementos foi se tornando cada vez mais presente e importante. Segundo Vian e Junior (2010), desde o surgimento dos primeiros tratores até os anos de 1980, foram apresentados diversos avanços na parte hidráulica, potência do motor, utilização de combustíveis variados, utilização de implementos e demais áreas operacionais. Todavia, a parte eletrônica e mecatrônica eram discretamente utilizadas, limitando-se a alguns sensores básicos de verificação. Efetivamente, a partir da década de 90 é que ocorreram os grandes avanços na utilização da tecnologia em implementos e veículos agrícolas com a incorporação de eletrônica apurada, em especial, advindos do desenvolvimento dos microcontroladores, mas também em função dos sistemas de redes sem fio, processamento digital de sinais, robotização, e outros diversos tipos de sensores para auxiliar no controle e operação do maquinário. Estes fatores foram determinantes para a automatização e também para a melhoria de rendimento agrícola. Devido à relevância dos sensores no cultivo e poucos trabalhos científicos nesta área, a referente pesquisa apresenta uma revisão bibliográfica da utilização de sensores em máquinas e implementos agrícolas, além de apresentar o atual estado da arte na utilização dos sensores no Brasil. Outro enfoque é a discussão á respeito do futuro da utilização de sensores neste ramo. Utilização dos Sensores em Máquinas Agrícolas A mecanização da agricultura foi um dos fatores preponderantes para o aumento da produção agrícola. Devido á substituição da tração animal e força humana pelas máquinas foram desenvolvidos novos horizontes para a agricultura da época. A primeira utilização de sensores data-se em 1966. A empresa americana Dickey-john, desenvolveu pela primeira vez para a agricultura um conjunto de sensores eletrônicos de monitoramento que permitiram um melhor desempenho no cultivo. Inseridos nas semeadoras a ar e plantadeiras mecânicas, o sensor monitorava o número e espaçamento de sementes que eram plantadas (REID, 2011). Com a utilização deste equipamento, os registros informam que foi possível economizar 54,5 litros de sementes e elevar a produtividade da colheita em 1,05m 3 por hectare, demonstrado por Thomas Coke (VIAN; JUNIOR, 2010).
Na década de 90 sensores similares foram aprimorados para o momento da colheita e para o mapeamento de rendimento, utilizando-se disso para a medição da qualidade da colheita (CONSTABLE; SOMERVILLE, 2003). A década de 80 marcou o início do estudo dos microcomputadores e softwares, o que possibilitou diversos avanços mais tarde. Porém, esta foi uma década que registrou queda de vendas de máquinas agrícolas, devido á elevada inflação e a baixa disponibilidade de crédito, que dificultou uma melhor implantação dos desenvolvimentos (FERO, 2014). A partir da década de 90, com o surgimento do sistema de posicionamento global (GPS), grandes avanços aconteceram principalmente em agricultura de precisão. Para exemplificar o grau de desenvolvimento de sensores para agricultura nos últimos anos foi realizada uma pesquisa, da quantidade de patentes emitidas por alguns dos principais fabricantes de máquinas agrícolas do mundo, a qual está ilustrada na Tabela 1. Os dados formam coletados pelos autores utilizando a ferramenta de busca específica do Google Patentes. Tabela 1 Patentes Emitidas pelos fornecedores nos períodos citados. Período de Emissão de Patentes 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 Empresas Donas da Patente 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2014 Deere & Company 478 409 152 165 152 4640 3480 3560 3640 6730 6500 7020 7020 Agco Corporation 4 3 4 2 3 2 2 74 84 10 Caterpillar Inc 5 6 7 113 110 249 134 121 136 451 449 485 459 Cnh America Llc 3 1 1 1 244 238 936 881 953 1020 New Holland 2 92 97 93 244 42 7 1 Total: 483 420 256 378 359 5136 3660 3934 4014 8120 7904 8542 8509 Através da tabela podemos evidenciar que a fabricante norte-americana Deere & Company tem se destacado ao longo dos anos, sempre muito à frente dos concorrentes, quando se analisa a quantidade de patentes registradas a respeito de sensores e de equipamentos que auxiliam a mecanização agrícola, totalizando nos últimos 24 anos (1990 a 2014) o número de 43.946 patentes emitidas. Isso corresponde a 84,98% das 51.715 patentes emitidas por esses fabricantes neste mesmo período. Os demais fabricantes também têm grande contribuição para a mecanização agrícola, mas talvez pelo investimento em pesquisa ou divulgação das mesmas, não apresentem uma quantidade tão expressiva de registros. Na figura 1 é ilustrado um gráfico do total de patentes a respeito de máquinas agrícolas informados na tabela1, aqui apresentados em função dos biênios entre 1990 e 2014. Nesse
gráfico nota-se praticamente três períodos distintos: o primeiro de 1990 a 1999; o segundo de 2000 a 2007 e o terceiro de 2008 a 2014. Figura 1. Demonstrativo de Crescimento do Total de Patentes Emitidas. 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1990-1991 1992-1993 1994-1995 1996-1997 1998-1999 2000-2001 2002-2003 2004-2005 2006-2007 2008-2009 2010-2011 2012-2013 2014 Número total de Patentes Período pesquisado (ano) Fonte: Próprio Autor. No primeiro período (1990 1999) a média de patentes dos grandes fabricantes da área agrícola rondou a casa de 200 registros por ano. No segundo período (2000-2009), a média de patentes praticamente foi multiplicada por 10, aproximando-se de 2100 registradas anualmente. E na terceira (2009 2014), a média praticamente dobrou em relação ao período anterior, chegando a 4100 anuais. Esta evolução denota claramente o período onde o desenvolvimento eletrônico e de sensores iniciou-se e como o crescente desenvolvimento de novas tecnologias, tendo amparado também a agroindústria. ESTADO DA ARTE DA UTILIZAÇÃO DOS SENSORES A utilização de sensores em função do seu estado de arte, podem ser abordada em: sensores para estações de monitoramento de microclima local; sensores de solo, referente às condições das diferentes condições de solo (ADAMCHUCK; ROSSEL; SUDDUTH; LAMMERS, 2011); sensores de veículos e implementos; sensores para agricultura de precisão e uma análise sobre o futuro dos sensores com a fusão de sensores.
a) Sensores para estação de monitoramento de microclima: O monitoramento do microclima é extremamente importante para o cultivo. Ele fornece informações necessárias às culturas e plantas em geral, as quais só se desenvolvem bem em condições favoráveis de clima e solo. Acompanhar tais condições permite que a cultura possa se desenvolver da melhor forma possível em uma determinada região, o que torna o monitoramento agrícola fundamental na agricultura moderna. Segundo Banderali (2011), podem-se destacar como principais fatores climáticos determinantes para o sucesso do desenvolvimento de uma planta em determinada região: a chuva, a temperatura e a radiação solar. Não menos importantes, a umidade relativa e o vento são consideradas variáveis secundárias. Contudo, a cultura consegue se adaptar e crescer de forma saudável. A tabela 2 traz informações dos sensores mais utilizados em uma estação de monitoramento de microclima e as respectivas faixas e unidades tradicionais de medida. Os sensores de temperatura e umidade relativa devem ficar em um conjunto protegido na parte externa da estação. Segundo a Organização Meteorológica Mundial (OMM), esse conjunto deve estar a 1,25 m a 2 m do terreno. Já o sensor pluviométrico é destinado a medir um valor referente à precipitação em um intervalo de tempo. Para esse sensor, a OMM recomenda estar em local livre de obstáculos em um plano horizontal a uma altura de 1,5m (GIOVELLI, 2007). O sensor de vento determina a direção e a velocidade horizontal do mesmo. Os aparelhos para esse fim devem ser instalados em áreas livres e acima do terreno. Já o sensor de UV e de Radiação Solar podem ser mais bem aproveitados se forem instalados em local aberto e sem sombreamento. O sensor de pressão atmosférica (barômetro) mede o peso que a atmosfera exerce por unidade de área, indicando a altura do relevo em relação ao nível do mar. Tabela 2 - Sensores utilizados em uma estação de monitoramento de microclima. Sensores Unidade de Medida Temperatura - 40 C a 60 C Umidade Relativa 10% a 99% Chuva (Pluviômetro) 0 a 9.999 mm0 Vento 0 a 180 km/h UV e Radiação Solar 0 a 1800W por m² Pressão Atmosférica 300-1100hPa
Para auxiliar na tomada de decisões e também poder relacionar com os dados de estações climáticas maiores, grande parte das estações possuem possibilidade de arquivamento das informações ou possibilidade de transmissão de dados para centrais funcionam como concentradoras de informações e de tomada de decisão. b) Sensores de Solo: A análise do solo é um dos principais passos para o cultivo. Cada tipo de lavoura necessita de seus elementos essenciais em quantidades corretas para que a planta desenvolva e evite doenças. Outro fator importante para a análise de solo é a economia de recursos que pode ser gerada, como na aplicação de corretivos e fertilizantes que devem ser realizadas após uma análise de solo detalhada. São necessários ensaios para a identificação química do que é necessário ser adicionado ou alterado no solo. Segundo Adamchuk (2006), sensores de solo em tempo real são necessários para expandir os conceitos de agricultura de precisão e precisam ser confiáveis, de rápida leitura e resposta, simples, baratos e com boa possibilidade de repetição. A tabela 3 ilustra os principais sensores de análise de solo juntamente com uma nálise em função da habilidade para determinado fim. Esta habilidade é apresentada por três níveis (Bom Médio Baixo). Tabela 3 Sensores de solo devido habilidade e quantidade de sensores nos princípios de sensores. Tipos de Sensores Sensores Eletromagnético Radiométrico Mecânico Acústico Eletroquímica Textura do Solo (areia e sal) Bom Médio Médio Total de Carbono Baixo Bom Umidade Bom Bom Sódio Médio Baixo Densidade do Solo Bom Baixo Profundidade Baixo Médio Baixo PH Baixo Bom Nitrato Residual Baixo Baixo Médio Potássio Baixo Médio Fonte: Adaptado de ADAMCHUK, 2006. Existem diversos equipamentos e ferramentas que podem auxiliar na análise do solo. Os sensores podem estar integrados em equipamentos móveis e automáticos, equipamentos que necessitam estar engatados em um veículo ou em equipamentos portáteis.
c) Sensores de Veículos Agrícolas e Implementos: Os veículos agrícolas são veículos automotores que têm por finalidade auxiliar nos processos produtivos, e o maior exemplo deles são os tratores. Os sensores em veículos agrícolas têm evoluído bastante nos últimos tempos. Além de cumprirem muito bem o papel de equipamentos em um veículo comum, possuem toda a preparação elétrica, física e de conectores para a recepção de dados (principalmente ISO) dos implementos, bem como a preparação para os demais sistemas de apoio apresentados como: Sistema para agricultura de precisão, display de dados, GPS, etc. Seguem na tabela 4, sensores encontrados nos tratores junto com sua localização. Tabela 4 Sensores comuns de um trator e sua localização. Sensor Localização Termostato do Motor Motor Tacômetro Motor Temp. Líq. Arrefecimento Motor Virabrequim do Motor Motor Sensor do Came do Motor Motor Sensor Presença de Aguá Injeção Sensor de Temp. de Combustível Injeção Nível de Combustível Combustível Temp. de Ar do Coletor Escape Sensor do Pedal do Acelerador Cabine Pressão de Óleo de Transmissão Transmissão Sensor de Temp. do Óleo Transmissão A tabela acima ilustra que um trator, na maioria das vezes é um elemento de deslocamento, sendo que, para o uso agrícola, quase sempre é necessário o acoplamento de um implemento agrícola. Este, é um equipamento mecânico desempenha funções específicas na agricultura como plantadeira, grade, pulverizador e raspadora ou niveladora. Nos implementos modernos a função dos sensores inerentes é voltada para sua aplicação agrícola e na coleta de informações que auxiliem o agricultor. Alguns possuem suporte para sistema de apoio como agricultura e precisam passar seus dados para centrais e sistemas dentro da cabine. Na tabela 5 são ilustrados alguns tipos de implementos e seus principais sensores.
Tabela 5 Exemplos de implementos agrícolas e seus alguns dos seus sensores. Pulverizador Plantadeira Semeadora Velocidade Velocidade Velocidade Detecção de Altura da Barra Presença de Semente Presença de Semente Detecção de Planta Daninha Presença de Vácuo Altura do Tubo Ultrassônico de adubo (opcional) d) Sensores para Agricultura de Precisão: O tema de agricultura de precisão tem uma abordagem da utilização de sistemas para a gestão do local da produção e consequentemente proporciona o controle da cobertura do terreno pleo seu maquinário. Com o auxílio de sensores, sistemas de análise de dados e GPS, o agricultor pode atuar em cada metro quadrado de sua lavoura, coletando informações de como ela rende e se precisa de aditivos ou de fertilizantes em dosagem específica. Os principais fabricantes já introduzem o suporte para a agricultura de precisão em suas colhedeiras, pulverizadoras, semeadores e demais máquinas e implementos agrícolas. Os principais itens para esse modelo de produção são a instalação de sensores de umidade, quantidade de grãos, qualidade do solo, entre outros. Esses dados são coletados e mapeados através das informações obtidas por GPS, procedimento feito em toda área de produção. Esses dados são coletados localmente ou podem ser enviados remotamente para uma central de monitoramento na fazenda. As informações serão processadas em sistemas de geoprocessamento, que geram um mapa de toda a área detalhando os atributos de cada local. Com esse estudo pode-se verificar as áreas com melhor produtividade, assim como as áreas que necessitam de maior controle de pragas e a qualidade da colheita. (SANTOS, 2007) A agricultura de precisão é uma área que vem passando por constante evolução, sendo cada vez mais desenvolvidos aparelhos específicos para essa função. Isso significa que para cada implemento, ou tipo de cultura, são pensados nesses tipos de dispositivos que podem auxiliar e trazer mais dados concisos, contribuindo para a tomada de decisão do produtor. A figura 2 exemplifica a utilização de sensores, controladores e sistemas de comunicação, além de outros dispositivos de auxílio na agricultura de precisão. O sistema apresentado ilustra uma colheitadeira. A colheitadeira possui um sistema interno que grava as informações recolhidas da antena GPS e correlaciona com as informações dos sensores de fluxo de massa (mede a quantidade de colheita) e de umidade. Com esses dados é possível traçar mapas de desempenho, total da colheita, umidade dos grãos e demais informações importantes ao agricultor.
Figura 2 Exemplificação máquina agrícola (no caso uma colheitadeira) com exemplo de sensores e outros dispositivos para auxílio na agricultura de precisão. Peça/Parte da Máquina Possíveis sensores associados Rolo (1) Sensor de movimento / rotação / de altura do solo Barra de corte (2) Sensor metálico e de rotação Captura de imagens (3) Sensor de imagens / Câmera Transportador de Grãos (4) Sensor de movimento de esteira / corrente Tambor de debulhação (6) Deslocador de Palha (8) Sensor de rotação / travamento Bandeja de Grãos (9) Ventilador (10) Sensor de rotação / sobre corrente (Travamento) Peneira ajustável de cima (11) Sensor de inclinação / vibração / rotação Peneira de fundo (12) Sensores de perda de grão Transportadora Rejeitos (13) Sensores de vibração e indutivo de movimento Redebulhador de rejeitos (14) Sensor de Fluxo de palha Trado de grãos (15) Sensor de rotação / travamento / fluxo de grãos Tanque de grãos (16) Sensor de nível de grãos, de umidade Cortador de palha (17) GPS (18) Sensor de posição geográfica / rádio Motor (19) Sensores de pressão e nível de óleo / nível de combustível / e outros sensores atrelados ao motor e injeção eletrônica Outras posições (para analisar solo) Sensores ópticos (Infra Vermelho Próximo), sensores de solo para análise de ph, sensores eletromagnéticos, etc Futuro na Utilização de Sensores - Fusão de Sensores A fusão de sensores tem sido um dos temas de maior estudo, e também estão presentes na área agrícola. A fusão pode relacionar diferentes grandezas correlacionadas, equipamentos e/ou dados. Um sensor ou equipamento consegue medir e atuar até certo limite onde seus dados gerados normalmente não se extendem a outros equipamentos. Essa fusão traz a convergência dos dados produzidos pelos sensores de todos os equipamentos, realização de processamento desses dados através de computadores para a melhor decisão dos próximos passos do cultivo.
No aspecto da informação enfatiza-se a criação de centrais de comando agrícola. Uma central recebe os dados dos sensores de todos os equipamentos de forma remota. Posteriormente faz o processamento digital dos dados através de sistemas de apoio, o que contribuirá para gerar decisões complexas de forma automática, bem como pode trazer informações importantes à melhoria produtiva do cultivo. Como exemplo, cita-se a aplicação de um defensivo agrícola utilizando este formato. Um trator ao passar pela área realizando a coleta de amostras de solo, repassa essas informações à central, onde cruzam-se com as informações das estações climáticas e às previsões de tempo dos próximos dias; bem como com as informações técnias da cultura selecionada e dos produtos que são utilizados naquele cultivo. Após o processsamento, são gerados mapas da área informando quais locais necessitam do uso de defensivos, além de informar qual a quantidade ideal para cada região da plantação. Todas essas informações podem ser passadas ao pulverizador, junto com informações do fabricante que detalha o melhor horário para a sua aplicação. Outro exemplo é apresentado na figura 3, onde está ilustrado uma rede de comunicação com sensores em um trator com semeadora acoplada. Através do barramento, que normalmente utiliza o padrão de comunicação CAN é inserido um módulo de tratamento de dados. Os dados gerados por todos os sensores são coletados e codificados e as centrais eletrônicas (ECU) fazem a gestão dos outros atuadores (motores, pistões, etc). Figura 3. Demonstração Sistema Fusão de Sensores. Fonte: Adaptação. (BLANK; KORMANN; BERNS, 2011)
Através de centrais controladoras específicas é realizado o processamento das informações para a escolha de melhor decisão perante algoritmos pré-definidos no melhor controle do conjunto, e estes dados também são codificados no formato XML, guardados em um logs para posterior análise das informações. CONCLUSÕES A mecanização agrícola tem sido um dos principais fatores para o aumento da produtividade rural em um mundo onde o alimento terá de cada vez mais valor comercial agregado, levando em conta o aumento populacional mundial crescente. Todos os avanços, desde o primeiro sensor até sua fusão com outros aparelhos, foram extremamente importantes para o cenário de automatização atual. Fato é que foram apenas nos últimos vinte anos em que a tecnologia dos sensores evoluiu significativamente, e cada vez mais é importante a sua utilização nas diferentes etapas de um cultivo. Nesse aspecto a utilização de sensores em máquinas agrícolas é essencial. Isso significa que os estudos referentes ao desenvolvimento de novos sensores, novas aplicações e novas técnicas de tratamento dos dados coletados por eles está em franca evolução, senso necessário para a constante melhoria de qualidade e produticidade dos cultivos. REFERÊNCIAS VIAN, E.F.; JUNIOR, A. M. A. Origens, Evolução e Tendências da Indústria de Máquinas Agrícolas. 48º Congresso SOBER, Vol. 51, Nº 4, p. 719-744, Campo Grande, Mato Grosso do Sul. 2010. REID, J. F. The Impact of Mechanization on Agriculture. Journal The Bridge, Volume 41, Number 3. 2011 CONSTABLE. G.; SOMERVILLE, B. A Century of Innovation: Twenty Engineering Achievements That Transformed Our Lives. Washington, D.C. 2003 FERO, A. O setor de máquinas agrícolas no Brasil: evolução nos últimos anos e perspectivas. Ano 2014, Disponível em: <http://celeres.com.br/o-setor-de-maquinas-agricolas-no-brasilevolucao-nos-ultimos-anos-e-perspectivas/> Acesso em: 10 de Junho de 2015. ADAMCHUCK, V.I.; ROSSEL, R.V; SUDDUTH K.A.; LAMMERS. P.S. Sensor Fusion for Precision Agriculture. ISBN: 978-953-307-446-7, InTech. 2011. BANDERALI, M. Área e tecnologia ampliam safra de grãos do Matopiba. Inovação Agrícola, Março de 2010, Disponível em: <http://inovacaoagricola.blogspot.com.br/2010/03/area-etecnologia-ampliam-safra-de.html> Acesso em: 13 de Junho de 2015.
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