Controle e monitoramento em rede local para pequenos cultivos

INTRODUÇÃO

Nos últimos anos a produção agrícola brasileira tem-se desenvolvido constantemente em suas produções, podendo se tornar um dos grandes fornecedores de alimentos no futuro. Com a alta produção também se acarreta gasto energético e hídrico, que podem levar ao aumento do preço do produto. De acordo com o relatório O Estado da Alimentação e da Agricultura (SOFA) 2020, a agricultura irrigada corresponde a mais de 70% do uso de água no planeta, a qual nem sempre é utilizada da melhor forma, podendo haver desperdício devido ao mal uso e controle da irrigação. Em um relatório divulgado pela ONU, o uso de água tem crescido em uma taxa aproximadamente duas vezes maior do que o crescimento da população ao longo do último século. Todos esses gastos hídricos são atribuídos a má utilização dos métodos de irrigação do cultivo.

Segundo Coelho e Silva (2009), o conceito de Agricultura de Precisão é associado a utilização de tecnologia, sendo hardware e software, com o intuito de monitorar e controlar parcelas de terreno buscando a melhoria na produção e reduzir impactos ambientais resultantes das atividades agrícolas. Balafoutis, Van Evert e Fountas (2020) afirmam que as tecnologias ajudam a coletar e transmitir dados em tempo real a baixo custo, permitido realizar uma análise para determinar o estado do agroambiente e posteriormente aplicar intervenções técnicas no nível de campo por meios convencionais ou automatizadas para melhoria do processo.

A umidade é um dos fatores do solo que quando empregada sua análise e automatização apresenta diversos benefícios para agricultura, como por exemplo, a economia de água, a melhora nos rendimentos das plantas, a redução a dependência dos fertilizantes e a melhora na qualidade das culturas (Hassan-Esfahani et al., 2014). Um exemplo aplicado por Zotarelli et al. (2009), mostrou que plantios que utilizaram sensores de umidade no solo obtiveram uma taxa de 15 a 51% de redução da utilização de água na irrigação em comparação com irrigação de tempo fixo e observou um aumento de produtividade da safra ente 11 a 26% (apud Datta et al., 2018).

A determinação da quantidade de água que o solo é capaz de reter, está ligado com as características físico, químico e biológico do solo, podendo afetar a produtividade agrícola. A possibilidade de determinar a umidade do solo é de grande interesse para trabalhos de irrigação. Segundo Kaiser et al. (2010), a umidade do solo apresenta influência na porosidade e suscetibilidade à compactação do solo.

Klein (2008) destacou que existem diversos métodos e técnicas para determinação da umidade do solo, tendo principais diferenças entre eles a forma de medição, custo, tempo de resposta e operacionalidade em campo. Ele também afirma que o método de extração de água de uma amostra de solo por meio do calor utilizando-se estufas elétricas, é capaz de determinar a umidade gravimétrica do solo pela relação entre a massa de água e a massa do solo seco. Santos (2006) afirma que esse método é destrutivo, mas muito preciso, sendo utilizado como padrão de calibração para outros equipamentos.

Existem diversos tipos de sensores disponíveis, com desempenhos variáveis, uns medem o teor de umidade do solo, enquanto outros medem o potencial da água no solo e a constante dielétrica. Dentre eles tem-se sensores TDR e TDT, que são precisos, mas de alto custo para aplicação. Em contraste, os sensores de capacitância são mais baratos, mas requerem calibração para resultados de medição satisfatórios. A capacitância do sensor é determinada pela constante dielétrica e este sensor fornece dados de umidade do solo em tempo real de acordo com a variação. Visconti, Paz, Martínez e Molina (2014), descrevem que os sensores que buscam obter dados de umidade explorando propriedades dielétricas do solo, são relativamente baratos e flexíveis comparados aos sensores TDR e TDT. Atualmente existe diversos modelos comerciais de sensores capacitivos para determinação do teor de umidade no solo, tendo como vantagens o baixo custo e fácil utilização, sendo utilizados para aplicações em pequenas hortas e plantas para a automatização.

Tendo como base referências em relação ao custo dos sensores, os sensores capacitivos se mostram mais atingíveis os consumidores, considerando a implementação da automação de pequenos cultivos e plantas residenciais. O presente projeto visa utilizar o sensor de umidade de baixo custo, implementando em um sistema automatizado, procurando manter ou melhorar a produtividade do cultivo e reduzir os gastos hídricos.

OBJETIVOS

Este trabalho apresenta como objetivo geral reduzir problemas relacionados à irrigação e agricultura, buscando o controle e a economia de ambas as partes, aumentando a produção e diminuindo a quantidade de água utilizada e, ao mesmo tempo, minimizar a intervenção manual nas operações de irrigação, tornando uma opção eficaz para a irrigação inteligente.

       Objetivo específico

Por meio de utilização de um microcontrolador e um sensor de umidade pretende-se:

• Automatização de pequenos cultivos
• Diminuir gastos de água
• Controlar a irrigação de acordo com a necessidade da planta
• Controle e monitoramento remoto por meio de uma web server local
• Coleta de dados sobre a umidade e volume de água do cultivo

MATERIAIS E MÉTODOS

O projeto a ser desenvolvido é um sistema de irrigação automatizada, utilizando o microcontrolador esp32, na qual possui uma placa wireless, para realizar uma interface de monitoramento remoto em rede local. Para isso é necessário a utilização de sensores de monitoração do solo, uma bomba d’água e um atuador para acionamento da bomba.  

Esp32

O Esp32 faz parte de uma família de microcontroladores feitos a partir de um único chip de 2,4 GHz de baixo custo e baixo consumo de energia com conexões Wi-Fi e Bluetooth já integradas, o que facilita a implementação de um servidor local para a interface do programa.

Possui um total de 39 pinos que podem ser usados tanto para input quanto output, dentre eles, 10 pinos podem ser usados como capacitive touch pins, capazes de serem acionados apenas por um toque. Este microcontrolador é responsável por receber e enviar dados para rede local e por meio da programação a ser desenvolvida, será capaz de acionar os irrigadores. A programação será realizada na plataforma Arduino IDE utilizando a linguagem C para os sensores e atuadores e HTML para o servidor web.

Sensor de umidade

Os sensores de umidade do solo, conhecidos também como higrômetros, tem como função determinar a umidade do solo. Basicamente há dois modelos de sensores sendo eles os resistivos e capacitivos. Os sensores resistivos obtêm o teor de umidade do solo com a corrente resultante em seus terminais. Já o capacitivo apresenta uma vida útil maior em comparação aos resistivos devido a ter maior resistência a corrosão, medem a variância da capacitância que é traduzida em umidade relativa. A escolha do sensor também se difere ao uso para diferentes tipos de cultivos, pois determinados cultivos possuem as raízes mais profundas por isso precisam de sensores de maior alcance ao sistema radicular.

No presente projeto será utilizado um sensor de umidade capacitivo utilizando comunicação com o esp32 que mandará as informações para a web server local, onde será definido o valor do intervalo do teor de umidade do solo para o plantio em questão. O usuário terá o feedback da umidade do solo por meio do sensor, o qual poderá ser definido e modificado na web server, escolhendo a porcentagem em que o sistema de irrigação deverá ligar e desligar.

Atuador e bomba d’água

Para sistemas de irrigação, as bombas a serem utilizadas precisarão de tipos de atuadores diferentes para que consigam alimentá-la. Para o projeto em questão será utilizado uma bomba d’água 12V, com isso será desenvolvido um circuito de acionamento com um optoacoplador e relé. O modulo optoacoplador será desenvolvido utilizando o software Proteus que acionará a bomba de acordo com os valores de umidade especificadas pelo usuário na web server.

RESULTADOS ESPERADOS

Como resultado deste trabalho espera-se um protótipo que automatize um sistema de irrigação para pequenos cultivos a pequenas plantas, por meio do uso do ESP32 e monitoramento via web conectado à rede local, proporcionando uma redução nos gastos hídricos e aumento da produtividade pela manutenção do teor de umidade do solo designado a planta em questão.

Para disseminação dos resultados obtidos neste projeto, os dados serão apresentados para uma banca avaliadora para então determinar futuros processos a serem implementados e então decidir por uma possível publicação.

[ID:41] Autor:Lucas Gabriel Fernandes - Criado em: 2021-05-04 18:01:19 - [ Compartilhar ]