Sistema Eletronico para o Manejo Automatizado de Abrigosde Cultivos Baseados em Hidroponia

Cristiano Santos Pereira de Abreu1, Tiago Jampietro Bastos1,

Vinicios Luneburger Anacleto1, Ronaldo Tadeu Murguero Junior1,

Anderson Luiz Fernandes Perez1,

Eliane Pozzebon2 e Rafael Gustavo Ferreira Morales3

1Laboratorio de Automacao e Robotica MovelUniversidade Federal de Santa Catarina (UFSC)

Campus Ararangua – 88.900-000 – Ararangua – SC – Brasil,cristiano.spa@msn.com, tiago.jampietro@gmail.com,

viniciosanacleto@hotmail.com, murguero.ronaldo@gmail.com, anderson.perez@ufsc.br

2Laboratorio de Tecnologias ComputacionaisUniversidade Federal de Santa Catarina (UFSC)

Campus Ararangua – 88.900-000 – Ararangua – SC – Brasil, epozzebon@gmail.com

3Empresa de Pesquisa Agropecuaria e Extensao Rural de Santa Catarina (EPAGRI)Gerencia Regional de Itajaı – 88.318-112 – Itajaı – SC – Brasil, rafael.epagri@gmail.com

RESUMOEste artigo descreve um sistema de monitoramento para a automatizacao de abrigos de cultivosem culturas hidroponicas. Um abrigo de cultivo e uma solucao adotada na agricultura que visaproteger a cultura de interperies da natureza. Entretanto, todo o controle do abrigo, tais comoabertura e fechamento do sombrite e acionamento de exaustores, por exemplo, e realizado demaneira manual ou semiautomatica. O objetivo do sistema proposto e controlar automatica-mente um abrigo de cultivo a partir da leitura de sensores instalados em posicoes especıficas.PALAVRAS-CHAVE: Sistema de monitoramento, abrigos de cultivos, culturas hidroponicas,automacao.

ABSTRACTThis article describes a monitoring system for automating hydroponic greenhouses. A gree-nhouse is a growing solution adopted in agriculture aimed at protecting the culture of natural

problems of nature. However, all under control, such as opening and closing of shadow protec-tion and the activation of hoods, for example, is performed in manual or semi-automatic way.The purpose of the proposed system is automatically controlling a greenhouse from readingsensors installed at specific locations.KEYWORDS: Monitoring system, greenhouse, hydroponic growing, automation.

INTRODUCAOA producao agrıcola em ambientes protegidos, tal como abrigos de cultivo, e uma alternativaaos metodos tradicionais de producao em ambientes abertos e que possibilita certo controledas condicoes edafoclimaticas, como temperatura, umidade do ar e irradiacao solar, oferecendoassim um melhor aproveitamento da area e condicoes para o crescimento e desenvolvimentodas culturas.

Em um abrigo de cultivos e necessario realizar um correto “manejo”, que e o geren-ciamento das condicoes necessarias para desenvolvimento e crescimento de determinada cul-tura, isto e realizado por meio da leitura de sensores sendo assim possıvel determinar acoespara alguns atuadores disponıveis em um abrigo de cultivo, tais como exaustores, ventiladores,irrigacao e sombreamento, visando inferir positivamente nas condicoes do ambiente favore-cendo o desenvolvimento da cultura (JUNIOR, 2011), sendo assim a automatizacao de um abrigovisa tornar o “manejo” mais preciso.

Atualmente poucos profissionais no paıs tem o conhecimento para interpretar as reacoesfisiologicas das culturas em ambiente protegido e manejar adequadamente o abrigo a fim deobter o maximo rendimento possıvel da cultura.

Neste trabalho e apresentado um sistema de controle automatizado para abrigos de cul-tivos visando realizar o manejo autonomo de um abrigo de cultivos hidroponicos a partir daobtencao das condicoes edafoclimaticas do ambiente, e assim atuar para adaptar este as melho-res condicoes para o desenvolvimento da cultura.

O artigo esta estruturado da seguinte forma: na Secao Culturas Hidroponicas sao descritasas principais caracterısticas de um cultura baseada em hidroponia, bem como caracterısticasde abrigos e formas de controle destes; na Secao Descricao do Sistema de Monitoramento

Eletronico para Culturas Hidroponicas e descrito a arquitetura e as principais caracterısticasdo sistema desenvolvido; a Secao Avaliacao do Sistema Proposto e descrito um conjunto deexperimentos realizados com o sistema de controle e os resultados obtidos; a ultima SecaoConsideracoes Finais apresenta algumas conclusoes sobre o trabalho descrito neste artigo, bemcomo lista algumas propostas para trabalhos futuros que visam estender o sistema de controledesenvolvido.

CULTURAS HIDROPONICASNa hidroponia o cultivo vegetal e realizado sem solo ou outro substrato como fonte de nutrientespara a planta. Os elementos minerais essenciais para o crescimento e o desenvolvimento das

plantas sao fornecidos atraves de uma solucao nutritiva que fornece na medida exata e de formaconstante todos os nutrientes que os vegetais cultivados necessitam.

Existem varios sistemas hidroponicos. Eles diferem entre si pela forma em que a solucaonutritiva entra em contato com as raızes. Basicamente, para um conjunto hidroponico e ne-cessario uma estrutura para sustentacao da planta, um reservatorio para solucao nutritiva, ummeio de contato entre as raızes e a solucao nutritiva.

A hidroponia deve preferencialmente ser conduzida em um ambiente protegido como umabrigo de cultivo, quando se tem interesse comercial e de producao em grande escala.

Sistemas de Cultivo HidroponicosOs sistemas hidroponicos sao classificados de acordo com o movimento da solucao nutritiva epodem ser estaticos ou dinamicos.

No sistema estatico a solucao nutritiva permanece estatica junto as raızes da planta. quee o caso do sistema “Pavio”. Neste sistema, ha um vaso contendo a planta e um pequeno re-servatorio contendo a solucao, ambos, interligados por um pavio, por onde a solucao sobe porcapilaridade. Trata-se, tambem, de um sistema aberto, pois a solucao nao retorna ao reser-vatorio.

A maioria dos sistemas sao do tipo dinamico, havendo circulacao forcada de agua ou dear para aeracao da solucao. Tem-se cinco exemplos de sistemas dinamicos: Floating, Sub-irrigacao, NFT (Nutrient Film Technique), Gotejamento e Aeroponia.

Abrigos de CultivoOs produtores rurais estao sempre sobre a influencia de intemperies, como ventos, granizos echuvas, que danificam a plantacao, fazendo com que sua colheita fique prejudicada devido ama qualidade dos produtos. A utilizacao de abrigos de cultivo auxilia na protecao da lavouracontra as mais adversas situacoes climaticas. Devido as inumeras vantagens, a utilizacao docultivo protegido tem aumentado em todo o mundo devido a fatores importantes que auxiliamo produtor rural (RURALNEWS, 2015) e no Brasil o crescimento e estimado em torno de 20% aoano.

O aumento consideravel da utilizacao do cultivo protegido vem ocorrendo devido ao seubaixo custo e versatilidade. Porem existem outros fatores que influenciam a sua utilizacao, comoo melhor desenvolvimento das plantas, aumento de produtividade, colheita nas entressafras e,principalmente, menor incidencia de pragas e doencas, o que resulta em produtos de melhorqualidade (ROMANINI et al., 2010; RURALNEWS, 2015).

A estrutura dos abrigos depende muito de sua finalidade. De modo geral e constituıdapor uma armacao, que pode ser de madeira, aco galvanizado ou concreto, com uma alturasuficiente que possibilite uma boa aeracao, coberta por um plastico transparente ou do tipodifusor, podendo-se utilizar telas, como o sombrite, aluminet, telas pigmentadas de diferentescoloracoes, que auxiliam na regulagem da temperatura interna e em alguns casos com telasanti-insetos nas laterais, que impossibilite a entrada de pragas.

Em estruturas mais sofisticadas pode-se encontrar exaustores, para a retirada forcada doar quente; lampadas, para o controle de luminosidade em locais de baixa insolacao; e sistemade irrigacao automatizado, com sensores de umidade do solo. A Figura 1 ilustra um exemplode um abrigo de cultivo com tomateiro, antes do plantio e na fase de producao de frutos.

Figura 1: Abrigos para o cultivo do tomateiro. A- Antes do plantio e B- Plantas em fase decolheita

Os abrigos de cultivo necessitam de uma atencao especial por parte dos agricultores, poisdevem estar em constante observacao quanto a temperatura, umidade e luminosidade para acio-nar, de forma manual, os equipamentos que irao realizar o controle. Por exemplo, os exaustorespara refrigerar o ambiente em caso da mesma estar acima da temperatura ideal para o cultivo.

Atualmente existem solucoes tecnologicas para auxiliar o agricultor no manejo da cultura.Por exemplo, e possıvel instalar em um abrigo de cultivo sensores que captam a temperatura,porem quem faz o procedimento para controle dos exaustores, se estes devem ou nao ser li-gados, e o agricultor. Existem outros sistemas mais modernos em que o produtor programa atemperatura que o exaustor deve ligar e desligar, utilizando-se de um painel de controle centralpara a tomada de decisoes. Contudo, o desafio e integrar esses sistemas com um sistema in-formatizado, em que o produtor consiga controlar as acoes do sistema de controle do abrigo deforma remota.

Alguns autores mencionam em seus trabalhos sobre a automacao em abrigos de cultivocomo e o caso de (CUNHA; CUGNASCA; CHERMONT, 2005; LITJENS, 2009; MARANGONI; SOUZA;

MOREIRA, 2014). Neste trabalho e proposto um sistema para monitoramento remoto de abrigosde cultivos que esta descrito na proxima secao .

DESCRICAO DO SISTEMA DESENVOLVIDO

O sistema desenvolvido tem por finalidade automatizar o manejo do abrigos de cultivo a partirda leitura de dados climaticas, como temperatura, umidade do ar e luminosidade, e, atuar con-forme parametros pre-definidos visando interferir de forma positiva nas condicoes ambientaisem prol do desenvolvimento da cultura. A Figura 2 ilustra o diagrama esquematico do sistemadesenvolvido.

Figura 2: Diagrama de funcionamento

O sistema de monitoramento e composto por tres modulos: o modulo de sensoriamentoremoto, o modulo de controle central e um software de interface com o usuario. Sendo que omodulo de sensoriamento remoto e responsavel por ler os dados do abrigo e envia-los ao modulode controle, este por sua vez processa essas informacoes e toma uma decisao a respeito da acaoa ser executada. A interface com o usuario permite que o usuario configure e acompanhe asinformacoes do sistema de controle. A Figura 3 ilustra a interface do usuario com algumasinformacoes lidas do abrigo de cultivos.

Figura 3: Interface grafica do sistema desenvolvido

Cada modulo de sensoriamento remoto e composto por um LDR (Light Dependent Re-

sistor), um tipo de resistor variavel em que a resistencia varia conforme a intensidade de luzque incide sobre ele; um sensor digital de umidade e temperatura do tipo DHT11, que permitemedir temperaturas de 0 a 50 oC e nıveis de 20 a 90% de umidade relativa. Este e um sensorde grande confiabilidade por apresentar uma precisao de ±5% e ±2oC, porem nao apresentaleituras com pontos flutuantes(D-ROBOTICS, 2010) e um radio transmissor modelo NRF24L01,

de 2.4GHz de clock com taxas de transmissao de ate 2Mbps, e capacidade de comunicacao deate seis radios simultaneamente. A Figura 4 ilustra a imagem de um modulo de sensoriamentoremoto.

Figura 4: Modulo de sensoriamento remoto

A placa de controle do modulo de sensoriamento e baseada no Arduino modelo UNOTMquee baseado no microcontrolador ATmega328, que possui arquitetura de 8-bits com 32KB memo-ria programavel (ARDUINO, 2015). Esta mesma placa foi utilizada no modulo de controle centralfazendo a interface do modulo de sensoriamento com o software de controle do usuario.

Para o modulo de controle central, alem da placa de controle, e utilizado um radio trans-missor do tipo NRF24L01 e um driver de controle de motores para acionamento de algunsatuadores do abrigo, o sombrite e o exaustor. Este modulo se comunica com o computadoratraves da interface USB (Universal Serial Bus) da placa de controle.

O sistema embarcado foi escrito na linguagem de programacao C para microcontrolado-res AVR. Nesta parte do sistema, o software embarcado nos modulos de sensoriamento tema funcao de ler os dados dos sensores e enviar via radio ao modulo de controle central. Estepor sua vez apenas retransmite estes dados para os software de controle e executa comandosenviados pelo usuario. A interface grafica com o usuario foi desenvolvida na linguagem deprogramacao C# (C Sharp). Nesta interface sao tomadas as decisoes para que as condicoesdentro do abrigo sejam ideais para o crescimento de uma determinada cultura.

AVALIACAO DO SISTEMA PROPOSTO

Para avaliar o sistema de monitoramento foi construıdo um abrigo em escala reduzida com osmesmos equipamentos encontrados em um abrigo convencional, tais como, cobertura plastica,sombrite e o ventilador (exaustor), conforme demonstrado na Figura 5.

Figura 5: Abrigo de cultivo utilizado para os testes

Na parte interna do abrigo estao localizados os sensores de temperatura, umidade e lumi-nosidade, que como ja foi mencionado anteriormente enviam as informacoes coletadas atravesde comunicacao via radio para o sistema central que realiza o processamento destas informacoespara determinar uma acao aos atuadores.

Foram realizados alguns testes onde os valores de temperatura, umidade e luminosidadeeram alterados. A partir da alteracao das condicoes ambientes, foi analisado o comportamentodo sistema de controle. Apos os testes foi concluıdo que o sistema se comportou adequadamenteem todas as condicoes estabelecidas. A Tabela 1 lista os dados usados nos experimentos com osistema de controle.

Tabela 1: Tabela testes realizados no abrigo de cultivoTemp (oC) Umid (%) Lumi (Lux) Sombrite Exaustor

24 56 146 Meio Aberto Desligado30 55 146 Meio Aberto Ligado19 63 109 Meio Aberto Desligado32 41 63 Totalmente Aberto Ligado29 43 150 Meio Aberto Ligado27 43 6.400 Fechado Desligado

As tres primeiras colunas da tabela sao os valores de entrada que sao captados pelossensores no interior do abrigo de cultivo, as duas colunas subsequentes sao os valores esperadospara o controle dos atuadores.

Apos a realizacao dos teste foi possivel analisar que o sistema de controle demonstrou sereficiente, sendo que em todos os testes ao qual foi submetido o mesmo agiu como o esperado,ou seja, a uma temperatura superior a 30 oC e uma luminosidade inferior a 100 Lux, o sistemade controle abriu totalmente o sombrite e ligou o exaustor para ajustar a temperatura.

CONSIDERACOES FINAISO presente trabalho descreveu um sistema de controle para o manejo automatizado de abrigosde cultivos. Um abrigo de cultivo e uma solucao adotada por agricultures para o cultivo dediferentes culturas em ambientes protegidos, desta forma diminui-se as perdas com pragas einterperies da natureza.

Em um abrigo do cultivo o ambiente precisa ser constantemente monitorado. Deve serter um controle da temperatura, umidade, luminosidade e da solucao nutritiva que alimenta aplanta. E comum que esse controle seja todo realizado de maneira manual, sendo o agricultoro responsavel por ler alguns sensores e, baseado nas informacoes coletadas, tomar alguma acaocom relacao ao controle do ambiente do abrigo, tal como abrir sombrite e/ou acionar o exaustor.

O sistema de controle proposto neste trabalho visa automatizar abrigos de cultura a partirdo monitoramento da luminosidade, temperatura e umidade. A partir dos dados coletados dossensores e sistema determina uma acao para abertura ou fechamento do sombrite e o aciona-mento ou nao de um exaustor. O sistema desenvolvido permite que o agricultor acompanhe asinformacoes a respeito do abrigo a partir de uma interface grafica.

Para validar o sistema foi construıdo um abrigo de cultivo em escala reduzida e este foitotalmente automatizado. A partir da leitura dos sensores verificou-se a eficacia do sistemacom relacao ao controle dos atuadores, o sombrite e o exaustor. As variaveis do ambienteforam alteradas a partir do uso de um soprador termico, forcando o aquecimento e depois oresfriamento do abrigo. Em todos os experimentos realizados o sistema de controle agiu comoo esperado, ou seja, abriu e fechou o sombrite e ligou e desligou o exaustor quando necessario.

Como propostas para trabalhos futuros pretende-se utilizar no modulo de sensoriamentoremoto um hardware mais robousto como as placas de controle Freedom Board da Freescaleou Raspberry Pi. Tambem pretende-se implementar um sistema de controle central baseado emlogica fuzzy ou redes neurais artificiais para tornar o sistema de controle adaptativo.

AGRADECIMENTOSOs autores, Cristiano Santos Pereira de Abreu e Ronaldo Tadeu Murguero Junior, agradecem aUniversidade Federal de Santa Catarina e o Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientıficoe Tecnologico (CNPq), respectivamente, pela bolsa de estudos.

REFERENCIASARDUINO. Arduino Uno. 2015. Disponıvel em:<https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno>.

CUNHA, R.; CUGNASCA, C. E.; CHERMONT, M. G. Proposta de utilizacao de tecnicasde sistema multi-agentes para controle de estufas. In: V CONGRESSO BRASILEIRO DE

AGROINFORMATICA, SBI-AGRO. [S.l.: s.n.], 2005. v. 5.

D-ROBOTICS. DHT11 Humidity & Temperature Sensor. Julho 2010. Disponıvel em:<http://www.micropik.com/PDF/dht11.pdf>.

JUNIOR, A. B. Manejo de Ambientes Protegidos: Estufas e Casas de Vegetacao.Jun 2011. Casa da Agricultura: Producao em Ambiente Protegido. Disponıvel em:<www.cati.sp.gov.br/new/revistacasadaagricultura.php>.

LITJENS, O. J. Automacao de estufas agrıcolas utilizando sensoriamento remoto e o protocolozigbee. 2009.

MARANGONI, V. H.; SOUZA, P. S. de; MOREIRA, H. R. Automacao de estufas agrıcolasutilizando sensores e arduino. In: 6a Jornada Cientıfica e Tecnologica. [S.l.: s.n.], 2014.

ROMANINI, C. E. et al. Desenvolvimento e simulacao de um sistema avancado de controleambiental em cultivo protegido. Revista Brasileira de Engenharia Agrıcola e Ambiental,SciELO Brasil, v. 14, n. 11, p. 1193–1201, 2010.

RURALNEWS, R. Estufas - producao agrıcola em ambientes controlados.http://www.ruralnews.com.br/visualiza.php?id=202: [s.n.], 02 2015.