Sistema Eletrônico para o Manejo Automatizado de Abrigos
de 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
1
Laboratório de Automação e Robótica Móvel
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
Campus Araranguá – 88.900-000 – Araranguá – SC – Brasil,
[email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected]
2
Laboratório de Tecnologias Computacionais
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
Campus Araranguá – 88.900-000 – Araranguá – SC – Brasil, [email protected]
3
Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina (EPAGRI)
Gerência Regional de Itajaı́ – 88.318-112 – Itajaı́ – SC – Brasil, [email protected]
RESUMO
Este artigo descreve um sistema de monitoramento para a automatização de abrigos de cultivos
em culturas hidropônicas. Um abrigo de cultivo é uma solução adotada na agricultura que visa
proteger a cultura de interpéries da natureza. Entretanto, todo o controle do abrigo, tais como
abertura e fechamento do sombrite e acionamento de exaustores, por exemplo, é realizado de
maneira manual ou semiautomática. O objetivo do sistema proposto é controlar automaticamente um abrigo de cultivo a partir da leitura de sensores instalados em posições especı́ficas.
PALAVRAS-CHAVE: Sistema de monitoramento, abrigos de cultivos, culturas hidropônicas,
automação.
ABSTRACT
This article describes a monitoring system for automating hydroponic greenhouses. A greenhouse 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 protection 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 reading
sensors installed at specific locations.
KEYWORDS: Monitoring system, greenhouse, hydroponic growing, automation.
INTRODUÇÃO
A produção agrı́cola em ambientes protegidos, tal como abrigos de cultivo, é uma alternativa
aos métodos tradicionais de produção em ambientes abertos e que possibilita certo controle
das condições edafoclimáticas, como temperatura, umidade do ar e irradiação solar, oferecendo
assim um melhor aproveitamento da área e condições para o crescimento e desenvolvimento
das culturas.
Em um abrigo de cultivos é necessário realizar um correto “manejo”, que é o gerenciamento das condições necessárias para desenvolvimento e crescimento de determinada cultura, isto é realizado por meio da leitura de sensores sendo assim possı́vel determinar ações
para alguns atuadores disponı́veis em um abrigo de cultivo, tais como exaustores, ventiladores,
irrigação e sombreamento, visando inferir positivamente nas condições do ambiente favorecendo o desenvolvimento da cultura (JUNIOR, 2011), sendo assim a automatização de um abrigo
visa tornar o “manejo” mais preciso.
Atualmente poucos profissionais no paı́s tem o conhecimento para interpretar as reações
fisiológicas das culturas em ambiente protegido e manejar adequadamente o abrigo a fim de
obter o máximo rendimento possı́vel da cultura.
Neste trabalho é apresentado um sistema de controle automatizado para abrigos de cultivos visando realizar o manejo autônomo de um abrigo de cultivos hidropônicos a partir da
obtenção das condições edafoclimáticas do ambiente, e assim atuar para adaptar este as melhores condições para o desenvolvimento da cultura.
O artigo está estruturado da seguinte forma: na Seção Culturas Hidropônicas são descritas
as principais caracterı́sticas de um cultura baseada em hidroponia, bem como caracterı́sticas
de abrigos e formas de controle destes; na Seção Descrição do Sistema de Monitoramento
Eletrônico para Culturas Hidropônicas é descrito a arquitetura e as principais caracterı́sticas
do sistema desenvolvido; a Seção Avaliação do Sistema Proposto é descrito um conjunto de
experimentos realizados com o sistema de controle e os resultados obtidos; a última Seção
Considerações Finais apresenta algumas conclusões sobre o trabalho descrito neste artigo, bem
como lista algumas propostas para trabalhos futuros que visam estender o sistema de controle
desenvolvido.
CULTURAS HIDROPÔNICAS
Na hidroponia o cultivo vegetal é realizado sem solo ou outro substrato como fonte de nutrientes
para a planta. Os elementos minerais essenciais para o crescimento e o desenvolvimento das
plantas são fornecidos através de uma solução nutritiva que fornece na medida exata e de forma
constante todos os nutrientes que os vegetais cultivados necessitam.
Existem vários sistemas hidropônicos. Eles diferem entre si pela forma em que a solução
nutritiva entra em contato com as raı́zes. Basicamente, para um conjunto hidropônico é necessário uma estrutura para sustentação da planta, um reservatório para solução nutritiva, um
meio de contato entre as raı́zes e a solução nutritiva.
A hidroponia deve preferencialmente ser conduzida em um ambiente protegido como um
abrigo de cultivo, quando se tem interesse comercial e de produção em grande escala.
Sistemas de Cultivo Hidropônicos
Os sistemas hidropônicos são classificados de acordo com o movimento da solução nutritiva e
podem ser estáticos ou dinâmicos.
No sistema estático a solução nutritiva permanece estática junto às raı́zes da planta. que
é o caso do sistema “Pavio”. Neste sistema, há um vaso contendo a planta e um pequeno reservatório contendo a solução, ambos, interligados por um pavio, por onde a solução sobe por
capilaridade. Trata-se, também, de um sistema aberto, pois a solução não retorna ao reservatório.
A maioria dos sistemas são do tipo dinâmico, havendo circulação forçada de água ou de
ar para aeração da solução. Tem-se cinco exemplos de sistemas dinâmicos: Floating, Subirrigação, NFT (Nutrient Film Technique), Gotejamento e Aeroponia.
Abrigos de Cultivo
Os produtores rurais estão sempre sobre a influência de intempéries, como ventos, granizos e
chuvas, que danificam a plantação, fazendo com que sua colheita fique prejudicada devido a
má qualidade dos produtos. A utilização de abrigos de cultivo auxilia na proteção da lavoura
contra as mais adversas situações climáticas. Devido as inúmeras vantagens, a utilização do
cultivo protegido tem aumentado em todo o mundo devido a fatores importantes que auxiliam
o produtor rural (RURALNEWS, 2015) e no Brasil o crescimento é estimado em torno de 20% ao
ano.
O aumento considerável da utilização do cultivo protegido vem ocorrendo devido ao seu
baixo custo e versatilidade. Porem existem outros fatores que influenciam a sua utilização, como
o melhor desenvolvimento das plantas, aumento de produtividade, colheita nas entressafras e,
principalmente, menor incidência de pragas e doenças, o que resulta em produtos de melhor
qualidade (ROMANINI et al., 2010; RURALNEWS, 2015).
A estrutura dos abrigos depende muito de sua finalidade. De modo geral é constituı́da
por uma armação, que pode ser de madeira, aço galvanizado ou concreto, com uma altura
suficiente que possibilite uma boa aeração, coberta por um plástico transparente ou do tipo
difusor, podendo-se utilizar telas, como o sombrite, aluminet, telas pigmentadas de diferentes
colorações, que auxiliam na regulagem da temperatura interna e em alguns casos com telas
anti-insetos nas laterais, que impossibilite a entrada de pragas.
Em estruturas mais sofisticadas pode-se encontrar exaustores, para a retirada forçada do
ar quente; lampadas, para o controle de luminosidade em locais de baixa insolação; e sistema
de irrigação automatizado, com sensores de umidade do solo. A Figura 1 ilustra um exemplo
de um abrigo de cultivo com tomateiro, antes do plantio e na fase de produção de frutos.
Figura 1: Abrigos para o cultivo do tomateiro. A- Antes do plantio e B- Plantas em fase de
colheita
Os abrigos de cultivo necessitam de uma atenção especial por parte dos agricultores, pois
devem estar em constante observação quanto a temperatura, umidade e luminosidade para acionar, de forma manual, os equipamentos que irão realizar o controle. Por exemplo, os exaustores
para refrigerar o ambiente em caso da mesma estar acima da temperatura ideal para o cultivo.
Atualmente existem soluções tecnológicas para auxiliar o agricultor no manejo da cultura.
Por exemplo, é possı́vel instalar em um abrigo de cultivo sensores que captam a temperatura,
porem quem faz o procedimento para controle dos exaustores, se estes devem ou não ser ligados, é o agricultor. Existem outros sistemas mais modernos em que o produtor programa a
temperatura que o exaustor deve ligar e desligar, utilizando-se de um painel de controle central
para a tomada de decisões. Contudo, o desafio é integrar esses sistemas com um sistema informatizado, em que o produtor consiga controlar as ações do sistema de controle do abrigo de
forma remota.
Alguns autores mencionam em seus trabalhos sobre a automação em abrigos de cultivo
como é o caso de (CUNHA; CUGNASCA; CHERMONT, 2005; LITJENS, 2009; MARANGONI; SOUZA;
MOREIRA, 2014). Neste trabalho é proposto um sistema para monitoramento remoto de abrigos
de cultivos que está descrito na próxima seção .
DESCRIÇÃO DO SISTEMA DESENVOLVIDO
O sistema desenvolvido tem por finalidade automatizar o manejo do abrigos de cultivo a partir
da leitura de dados climáticas, como temperatura, umidade do ar e luminosidade, e, atuar conforme parâmetros pré-definidos visando interferir de forma positiva nas condições ambientais
em prol do desenvolvimento da cultura. A Figura 2 ilustra o diagrama esquemático do sistema
desenvolvido.
Figura 2: Diagrama de funcionamento
O sistema de monitoramento é composto por três módulos: o módulo de sensoriamento
remoto, o módulo de controle central e um software de interface com o usuário. Sendo que o
módulo de sensoriamento remoto é responsável por ler os dados do abrigo e enviá-los ao módulo
de controle, este por sua vez processa essas informações e toma uma decisão a respeito da ação
a ser executada. A interface com o usuário permite que o usuário configure e acompanhe as
informações do sistema de controle. A Figura 3 ilustra a interface do usuário com algumas
informações lidas do abrigo de cultivos.
Figura 3: Interface gráfica do sistema desenvolvido
Cada módulo de sensoriamento remoto é composto por um LDR (Light Dependent Resistor), um tipo de resistor variável em que a resistência varia conforme a intensidade de luz
que incide sobre ele; um sensor digital de umidade e temperatura do tipo DHT11, que permite
medir temperaturas de 0 a 50 o C e nı́veis de 20 a 90% de umidade relativa. Este é um sensor
de grande confiabilidade por apresentar uma precisão de ±5% e ±2o C, porém não apresenta
leituras com pontos flutuantes(D-ROBOTICS, 2010) e um rádio transmissor modelo NRF24L01,
de 2.4GHz de clock com taxas de transmissão de até 2Mbps, e capacidade de comunicação de
até seis rádios simultaneamente. A Figura 4 ilustra a imagem de um módulo de sensoriamento
remoto.
Figura 4: Módulo de sensoriamento remoto
A placa de controle do módulo de sensoriamento é baseada no Arduino modelo UNOTM que
é baseado no microcontrolador ATmega328, que possui arquitetura de 8-bits com 32KB memoria programável (ARDUINO, 2015). Está mesma placa foi utilizada no módulo de controle central
fazendo a interface do módulo de sensoriamento com o software de controle do usuário.
Para o módulo de controle central, além da placa de controle, é utilizado um rádio transmissor do tipo NRF24L01 e um driver de controle de motores para acionamento de alguns
atuadores do abrigo, o sombrite e o exaustor. Este módulo se comunica com o computador
através da interface USB (Universal Serial Bus) da placa de controle.
O sistema embarcado foi escrito na linguagem de programação C para microcontroladores AVR. Nesta parte do sistema, o software embarcado nos módulos de sensoriamento tem
a função de ler os dados dos sensores e enviar via rádio ao modulo de controle central. Este
por sua vez apenas retransmite estes dados para os software de controle e executa comandos
enviados pelo usuário. A interface gráfica com o usuário foi desenvolvida na linguagem de
programação C# (C Sharp). Nesta interface são tomadas as decisões para que as condições
dentro do abrigo sejam ideais para o crescimento de uma determinada cultura.
AVALIAÇÃO DO SISTEMA PROPOSTO
Para avaliar o sistema de monitoramento foi construı́do um abrigo em escala reduzida com os
mesmos equipamentos encontrados em um abrigo convencional, tais como, cobertura plástica,
sombrite e o ventilador (exaustor), conforme demonstrado na Figura 5.
Figura 5: Abrigo de cultivo utilizado para os testes
Na parte interna do abrigo estão localizados os sensores de temperatura, umidade e luminosidade, que como já foi mencionado anteriormente enviam as informações coletadas através
de comunicação via rádio para o sistema central que realiza o processamento destas informações
para determinar uma ação aos atuadores.
Foram realizados alguns testes onde os valores de temperatura, umidade e luminosidade
eram alterados. A partir da alteração das condições ambientes, foi analisado o comportamento
do sistema de controle. Após os testes foi concluı́do que o sistema se comportou adequadamente
em todas as condições estabelecidas. A Tabela 1 lista os dados usados nos experimentos com o
sistema de controle.
o
Temp (
24
30
19
32
29
27
Tabela 1: Tabela testes realizados no abrigo de cultivo
C) Umid (%) Lumi (Lux)
Sombrite
Exaustor
56
146
Meio Aberto
Desligado
55
146
Meio Aberto
Ligado
63
109
Meio Aberto
Desligado
41
63
Totalmente Aberto
Ligado
43
150
Meio Aberto
Ligado
43
6.400
Fechado
Desligado
As três primeiras colunas da tabela são os valores de entrada que são captados pelos
sensores no interior do abrigo de cultivo, as duas colunas subsequentes são os valores esperados
para o controle dos atuadores.
Após a realização dos teste foi possivel analisar que o sistema de controle demonstrou ser
eficiente, sendo que em todos os testes ao qual foi submetido o mesmo agiu como o esperado,
ou seja, a uma temperatura superior a 30 o C e uma luminosidade inferior a 100 Lux, o sistema
de controle abriu totalmente o sombrite e ligou o exaustor para ajustar a temperatura.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho descreveu um sistema de controle para o manejo automatizado de abrigos
de cultivos. Um abrigo de cultivo é uma solução adotada por agricultures para o cultivo de
diferentes culturas em ambientes protegidos, desta forma diminui-se as perdas com pragas e
interpéries da natureza.
Em um abrigo do cultivo o ambiente precisa ser constantemente monitorado. Deve ser
ter um controle da temperatura, umidade, luminosidade e da solução nutritiva que alimenta a
planta. É comum que esse controle seja todo realizado de maneira manual, sendo o agricultor
o responsável por ler alguns sensores e, baseado nas informações coletadas, tomar alguma ação
com relação 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 partir
do monitoramento da luminosidade, temperatura e umidade. A partir dos dados coletados dos
sensores e sistema determina uma ação para abertura ou fechamento do sombrite e o acionamento ou não de um exaustor. O sistema desenvolvido permite que o agricultor acompanhe as
informações a respeito do abrigo a partir de uma interface gráfica.
Para validar o sistema foi construı́do um abrigo de cultivo em escala reduzida e este foi
totalmente automatizado. A partir da leitura dos sensores verificou-se a eficácia do sistema
com relação ao controle dos atuadores, o sombrite e o exaustor. As variáveis do ambiente
foram alteradas a partir do uso de um soprador térmico, forçando o aquecimento e depois o
resfriamento do abrigo. Em todos os experimentos realizados o sistema de controle agiu como
o esperado, ou seja, abriu e fechou o sombrite e ligou e desligou o exaustor quando necessário.
Como propostas para trabalhos futuros pretende-se utilizar no módulo de sensoriamento
remoto um hardware mais robousto como as placas de controle Freedom Board da Freescale
ou Raspberry Pi. Também pretende-se implementar um sistema de controle central baseado em
lógica fuzzy ou redes neurais artificiais para tornar o sistema de controle adaptativo.
AGRADECIMENTOS
Os autores, Cristiano Santos Pereira de Abreu e Ronaldo Tadeu Murguero Junior, agradecem a
Universidade Federal de Santa Catarina e o Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientı́fico
e Tecnológico (CNPq), respectivamente, pela bolsa de estudos.
REFERÊNCIAS
ARDUINO. Arduino Uno. 2015. Disponı́vel em:
<https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno>.
CUNHA, R.; CUGNASCA, C. E.; CHERMONT, M. G. Proposta de utilização de técnicas
de sistema multi-agentes para controle de estufas. In: V CONGRESSO BRASILEIRO DE
AGROINFORMÁTICA, SBI-AGRO. [S.l.: s.n.], 2005. v. 5.
D-ROBOTICS. DHT11 Humidity & Temperature Sensor. Julho 2010. Disponı́vel em:
<http://www.micropik.com/PDF/dht11.pdf>.
JUNIOR, A. B. Manejo de Ambientes Protegidos: Estufas e Casas de Vegetação.
Jun 2011. Casa da Agricultura: Produção em Ambiente Protegido. Disponı́vel em:
<www.cati.sp.gov.br/new/revistacasadaagricultura.php>.
LITJENS, O. J. Automação de estufas agrı́colas utilizando sensoriamento remoto e o protocolo
zigbee. 2009.
MARANGONI, V. H.; SOUZA, P. S. de; MOREIRA, H. R. Automação de estufas agrı́colas
utilizando sensores e arduino. In: 6a Jornada Cientı́fica e Tecnológica. [S.l.: s.n.], 2014.
ROMANINI, C. E. et al. Desenvolvimento e simulação de um sistema avançado de controle
ambiental em cultivo protegido. Revista Brasileira de Engenharia Agrı́cola e Ambiental,
SciELO Brasil, v. 14, n. 11, p. 1193–1201, 2010.
RURALNEWS, R. Estufas - produção agrı́cola em ambientes controlados.
http://www.ruralnews.com.br/visualiza.php?id=202: [s.n.], 02 2015.