EQUIPAMENTO PARA MENSURAÇÃO DO COEFICIENTE DE VARIAÇÃO DO
ESPAÇAMENTO ENTRE PLANTAS NA CULTURA DO MILHO (Zea Mays)
Edson Massao Tanaka¹; Luís Hilário Tobler Garcia²; Allan Lincoln Rodrigues Siriani³; Tiago
Borges Scalisse4
¹Mestre, Professor Associado, FATEC “Shunji Nishimura”, Mecanização em Agricultura de
Precisão, Pompeia, SP, Fone: (18) 99715-0404, [email protected]
²Mestre, Professor Associado, FATEC “Shunji Nishimura”, Mecanização em Agricultura de
Precisão, Pompeia, SP, Fone: (14) 99703-3194, [email protected]
³Graduado, Pesquisador Tecnológico, Laboratório de Pesquisas Tecnológicas UJI, Pompeia,
SP, Fone: (14) 98199-7228, [email protected]
4
Discente, FATEC “Shunji Nishimura”, Mecanização em Agricultura de Precisão, Pompeia,
SP, Fone: (14) 99771-3281, [email protected]
Resumo: O milho é uma cultura que possui grande importância na economia brasileira e
segundo a Conab, somente na safra 12/13 a estimativa de colheita é de mais de 80 milhões de
toneladas, atingindo um recorde no país, mas para a obtenção de altas produtividades, sua
densidade e uniformidade devem fatores observados no momento do plantio. O trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um protótipo de um veículo terrestre não tripulado
(VTNT) que mensure in loco o espaçamento entre plantas da cultura do milho possibilitando o
cálculo de coeficiente de variação desse espaçamento de maneira automática. O
desenvolvimento da estrutura principal do protótipo é feita de tubos perfilados de cloreto de
polivinila (PVC) nas dimensões que permitam a passagem do veículo sobre a cultura. Para a
medição do espaçamento e a elaboração dos cálculos utiliza-se uma plataforma de prototipagem
eletrônica Arduino Mega 2560 e sensores ultrassônicos, através dos quais é possível por
intermédio de uma programação construída em linguagem C, a obtenção dos dados e a
elaboração de cálculos estatísticos para a determinação do coeficiente de variação. Como
resultado final, foi observado que o equipamento responde de forma necessária para a obtenção
dos dados, mas possui limitações que o impede de realizar o cálculo do coeficiente de variação
de forma precisa e acurada, limitações advindas das variações de velocidade e de limitações
dos sensores ultrassônicos.
Palavras-chave: VTNT, coeficiente de variação do espaçamento, cultura do milho, arduino,
Zea mays.
1
EQUIPMENT FOR MEASURING THE COEFFICIENT OF VARIATION
BETWEEN PLANTS IN THE CORN CROP (Zea Mays)
Abstract: Corn is a crop that has great importance in the Brazilian economy and
according to Conab, only in season 12/13 the estimated harvest is over 80 million tons to a
record in the country, but to obtain high yields the density and uniformity must be one of the
most important factors at the time of planting. The work aims to develop a prototype of an
unmanned ground vehicle (UGV) that measures in loco the plant spacing of the corn crop
enabling calculation of coefficient of variation of this spacing automatically. The prototype
main structure development is made of profile pipes made of polyvinyl chloride (PVC) in the
dimensions that permit the passage of the vehicle on the crop. For measurement of the spacing
and draw up the calculations uses electronics prototyping platform Arduino Mega 2560 with
ultrasonic sensors, through of these is possible by means of a programming language built in C
to obtain the data and preparation of statistical calculations for obtaining the coefficient of
variation. As a result, it was observed that the equipment responds necessary to obtain data but
has limitations that prevents it from performing the calculation of the coefficient of variation
precisely and accurately, limitations arising from speed variations and limitations of ultrasonic
sensors.
Keywords: UGV, coefficient of variation, corn, arduino, Zea mays.
INTRODUÇÃO
O trabalho, caracterizado como artigo técnico, ressalta a importância econômica do
milho, a importância do espaçamento entre plantas desta cultura e a importância do estudo de
novas tecnologias e sua aplicação no campo.
Segundo provas que envolvem escavações arqueológicas e geológicas e medições por
desintegração radioativa, entre as culturas conhecidas, o milho se destaca como a mais antiga,
sendo cultivado há pelo menos 5.000 anos, é também uma das mais importantes plantas
comerciais com origem nas Américas. Segundo indicações tem sua origem no México, América
Central ou Sudoeste dos Estados Unidos e logo depois do descobrimento das Américas, foi
levado para a Europa, onde era cultivado em jardins, até que seu valor alimentício tornou-se
conhecido e passou, então, a ser plantado em escala comercial, espalhando-se desde a antiga
União Soviética até a Argentina (GODOY, 2002; JUGENHEIMER, 1990, apud DUARTE,
c2000).
Atualmente o cereal mais produzido no mundo, segundo o Departamento de Agricultura
dos Estados Unidos (USDA), nos últimos cinco anos, a produção média de milho foi de 778,8
milhões de toneladas, no mesmo período, a produção de arroz em casca foi de 668,1 milhões
de toneladas e a de trigo situou-se em 662,2 milhões (DEMARCHI, 2011).
Conforme cita Demarchi (2011), a importância econômica do milho se encontra em sua
diversidade de utilização, podendo ser utilizado desde a alimentação animal e humana até a
2
indústria de alta tecnologia, contudo, o maior destino do milho é a produção de ração para a
avicultura, bovinocultura e a suinocultura, as quais são de grande importância econômica, tanto
no cenário nacional como no cenário mundial.
O milho é uma cultura que possui grande importância na economia brasileira, e segundo
a Conab (2013), somente na safra 12/13 a estimativa é de recorde, com mais de 80 milhões de
toneladas de milho colhidas no país, como mostrado em destaque na figura 1.
Figura 1 - Estimativa de produção de grãos, safras 2011/2012 e 2012/2013 (em 1000 t)
Fonte: CONAB, 2013 – Levantamento: Agosto/2013
Outro fator que indica essa importância é a participação da cultura no VBP (valor bruto
de produção) brasileiro, em que ocupa a terceira colocação, com participação de 13%
(correspondendo a R$ 36,846 bilhões), onde a cultura da soja possui principal participação com
30% seguida pela cana-de-açúcar com 17%.
3
Utilização de plataformas Arduino na agricultura
Arduino é uma plataforma de hardware livre, projetada com um microcontrolador Atmel
de placa única, com suporte de entrada e saída embutido e uma linguagem de programação
padrão, essencialmente C. Pode ser usado para o desenvolvimento de objetos interativos
independentes, ou ainda para ser conectado a um computador com o papel de servidor. Uma
típica placa Arduino é composta por um controlador, algumas linhas de entrada e saída, digitais
e analógicas, além de uma interface de comunicação serial e USB, possibilitando a sua conexão
a um computador, para a sua programação e interação em tempo real, assim como a um servidor.
Os Arduinos originais utilizam a série de microcontroladores megaAVR, especialmente os
microcontroladores da família ATmega8, ATmega168, ATmega328 e a ATmega1280, porém
muitos outros microprocessadores foram utilizados por cópias de seu projeto original. A grande
maioria de placas inclui um regulador linear de 5 volts e um oscilador de cristal de 16 MHz,
sendo pré-programado com um bootloader que, em comparação com outros aparelhos,
simplifica o carregamento de programas para o chip de memória flash embutido.
Sua utilização envolve o uso de um software livre, responsável por permitir a confecção
e transmissão de códigos de programação ao hardware citado, o qual pode ter funcionalidade
agregadas através adição de placas que são montadas sobre a placa principal.
Atualmente, existem alguns métodos usados para a transmissão de dados em um Arduino,
através das placas programáveis por uma porta USB ou através de uma porta serial comum
(ARDUINO, 2011).
Devido a sua ampla capacidade de utilização, o Arduino também pode ser aplicado na
agricultura, como em diversas variáveis que podem ser medidas através de sua plataforma e
sensores, a exemplo da automação do processo de pulverização de defensivos e mapeamento
de plantio da produção (JUNIOR; VENTURA, 2011).
Como cita Dornelles (1997), para a programação é utilizada a linguagem Arduino que
é baseada em linguagem C e utiliza um software livre para a escrita dos códigos do sistema
criado para a placa Arduino, bem como para efetuar a transferência dos dados para tal placa. A
linguagem C é uma linguagem genérica que, apesar de ser de alto nível, compartilha recursos
tanto de alto nível, quanto de baixo nível, pois permite acesso e programação direta de
microprocessadores.
4
O Coeficiente de Variação como medida de qualidade no plantio
Conhecer medidas de variabilidade no espaçamento entre plantas na cultura do milho é
um fator extremamente importante, pois o milho é uma cultura que apresenta variações de
produtividade que dependem de seu espaçamento.
Segundo Anderson (2011), quando estamos interessados em uma estatística descritiva
que indique qual é o tamanho do desvio padrão em relação à média, utilizamos o coeficiente de
variação.
Sendo assim, conseguimos saber qual foi a variação do espaçamento entre plantas, e ter
um fundamento para uma próxima tomada de decisão.
O problema que motivou o desenvolvimento desse trabalho foi a necessidade de obter um
método mais prático para obtenção do coeficiente de variação do espaçamento na cultura do
milho. Pois o método atual é manual e razoavelmente demorado e trabalhoso.
O projeto será realizado de forma experimental (um protótipo), ou seja, essa será a
primeira versão realizada, onde será feito principalmente as exposições das ideias, afim de testar
e determinar melhor o funcionamento, sendo assim, os testes serão feitos em ambientes
controlados e considerados ideais.
MATERIAL E MÉTODOS
Para o desenvolvimento da estrutura do protótipo, primeiramente foi criado o desenho do
projeto com a utilização do software Sketchup, como mostrado na figura 2, em sequência foram
utilizados tubos perfilados (3/4) de cloreto de polivinila (PVC) para a montagem da estrutura
(figura 3).
5
Figura 2 - Esquemático criado com a utilização do software Sketchup
Fonte: DO AUTOR
Figura 3 - Estrutura de PVC criada para estruturar o projeto
Fonte: DO AUTOR
Após montagem da estrutura principal, foi necessário equipá-la com o arduino e os
sensores ultrassônicos.
6
O arduino utilizado foi o Mega 2560 (figura 4), pois possui entradas e saídas analógicas
suficientes (16 no total) para a elaboração do projeto e os sensores ultrassônicos foram os HCSR04 (figura 5), pois fazem parte dos recursos disponíveis e atendem os requisitos iniciais do
projeto.
Figura 4- Arduino Mega 2560
Fonte: DO AUTOR
O Arduino Mega 2560 (figura 4) é uma placa fundamentada no microcontrolador
ATmega2560. Ele tem 54 pinos de entradas/saída digitais (dos quais 14 podem ser usados como
saídas PWM), 16 entradas analógicas, 4 UARTs (portas seriais de hardware), um cristal
oscilador de 16 MHz, uma conexão USB, um conector de alimentação e um botão de reset. Ele
contém tudo o necessário para suportar o microcontrolador, basta conectá-lo a um computador
com um cabo USB ou ligá-lo com um adaptador AC para DC ou bateria para começar usá-lo
(ARDUPILOT, c2013).
Figura 5 - Sensor ultrassônico HC-SR04
Fonte: LET’S MAKE ROBOTS, 2011
7
Já o sensor ultrassônico HC-SR04 tem seu princípio de funcionamento na emissão de
uma onda sonora de alta frequência, e na medição do tempo levado para a recepção do eco
produzido quando esta onda se choca com um objeto capaz de refletir o som. Eles emitem
pulsos ultrassônicos ciclicamente. Quando um objeto reflete estes pulsos, o eco resultante é
recebido e convertido em um sinal elétrico. A detecção do eco incidente depende de sua
intensidade e da distância entre o objeto e o sensor ultrassônico. Os sensores ultrassônicos
funcionam medindo o tempo de propagação do eco, ou seja, intervalo de tempo medido entre o
impulso sonoro emitido e o eco do mesmo (JUNIOR; VENTURA, 2011).
O próximo passo foi a realização da conexão dos sensores com a placa arduino. O sensor
ultrassônico possui 4 (quatro) pinos: VCC (+5V), Trig (pino trigger, que dispara a onda sonora),
Echo (receptor da onda sonora) e o GND (ground, 0V).
O pino VCC e GND são ligados a alimentação da placa do arduino, na entrada de 5V e
GND respectivamente.
Os pinos Trig e Echo são ligados as portas analógicas do arduino, sendo o pino Trig
definido como saída e o Echo como entrada, sendo essa última operação realizada juntamente
a programação.
Nesse caso, dois sensores são utilizados para o projeto, para que possa ser medida a
velocidade de deslocamento do veículo, sendo realizado da seguinte forma:
Os dois sensores são posicionados do mesmo lado da estrutura a uma distância conhecida
um do outro, nesse projeto foi utilizado 10cm (figura 6).
Figura 6 – Posicionamento dos sensores ultrassônicos
Fonte: DO AUTOR
8
Quando o sensor, que está posicionado mais à frente da estrutura detecta a planta ele
começa uma contagem de tempo, que só será parada quando o segundo sensor detectar a
próxima planta. Assim com esse tempo, mais a distância de um sensor ao outro é possível obter
a velocidade de deslocamento, representada pela equação (1):
Vm = Δs/ Δt (1)
Onde:
Vm = velocidade média
Δs = diferença de distância de um sensor ao outro
Δt = diferença de tempo entre o 1º sensor até o 2º sensor
O pino Trig e Echo do primeiro sensor foram ligados nas portas analógicas 8 e 9
respectivamente, o pino Trig e Echo do segundo sensor foram ligados respectivamente nas
portas 12 e 13. E os pinos VCC e GND de ambos sensores foram ligados na alimentação de
+5V e 0V.
Com os dados de velocidade de deslocamento, foi é possível começar a obter o
espaçamento de uma planta a outra. Utilizou-se a diferença de tempo que o primeiro sensor
levou para passar de uma planta até a próxima planta, com essa diferença mais a velocidade
calculada anteriormente, é possível calcular a distância de uma planta a outra, através da
equação da distância (2):
Δs = Vm x Δt (2)
Onde:
Vm = velocidade média
Δs = distância entre as plantas
Δt = tempo que o sensor demorou para passar entre as plantas
Com o cálculo das distâncias, foi possível progredir para o cálculo do coeficiente de
variação, as equações de 1 a 6, são referenciadas a Anderson, Sweeney e Williams (2011).
Calculou-se a média das distâncias conforme a equação (3), para dar prosseguimento aos
cálculos:
𝑥̅ =
∑ 𝑥𝑖
𝑛
(3)
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Onde:
𝑥̅ = média
∑ 𝑥𝑖 = soma dos valores de n observações
n = número de observações (plantas)
Esses dados possibilitaram dar prosseguimento para os cálculos do coeficiente de
variação, restando calcular a variância (4) e o desvio padrão (5):
𝑠² =
Onde:
∑(𝑥𝑖 − 𝑥)²
(4)
𝑛−1
𝑠² = variância
(∑ 𝑥𝑖 − 𝑥)² = soma dos valores menos a média elevado ao quadrado
n = número de observações amostras (plantas)
𝑠 = √𝑠² (5)
Onde:
s = desvio padrão
s² = variância
Agora para calcular o coeficiente de variação é necessário calcular a relação entre o
desvio padrão e a média (6):
𝐶𝑉% =
Onde:
𝑠
100 (6)
𝑥̅
CV% = desvio padrão em percentagem
𝑥̅ = média
A seguir consta a programação realizada, com as partes mais importantes descritas
depois de duas barras (//).
//PROGRAMA:
//Declaração das variaveés que serão usadas no programa
#define echoPinb 9 //Pino 9 recebe o pulso do echo
#define trigPinb 8 //Pino 8 envia o pulso para gerar o echo
10
#define echoPin 13 //Pino 13 recebe o pulso do echo
#define trigPin 12 //Pino 12 envia o pulso para gerar o echo
int contplanta = 0;
int sensor1= 0;
double distsens = 10.00; //Distância entre os sensores ultrassônicos
double vel;
int sensor2 ;
int cont;
int cont1;
double tempo1;
double tempo0;
double tempo2;
double distplanta[100];
double cv;
double soma;
double desvpad;
double media;
double variancia;
double somaquad;
void setup() // define as entradas e saídas, no caso os dois sensores ultrassônicos
{
Serial.begin(9600); //inicia a porta serial
pinMode(echoPin, INPUT); // define o pino 13 como entrada (recebe)
pinMode(trigPin, OUTPUT); // define o pino 12 como saida (envia)
pinMode(echoPinb, INPUT); // define o pino 9 como entrada (recebe)
pinMode(trigPinb, OUTPUT); // define o pino 8 como saida (envia)
}
void loop() {
//Configuração do SENSOR 1
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
11
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
long duration = pulseIn(echoPin,HIGH);
long distancia = duration /58 ;
if (((distancia <10)&&(distancia > 1)) && (sensor1 < 1)){ // define se tem planta no
sensor 1
sensor1 = 1;
contplanta ++;
tempo1 = millis();
tempo1 = tempo1/1000;
Serial.print("Quant. Plantas: ");
Serial.println(contplanta);
Serial.print("Tempo 1: ");
Serial.println(tempo1);
if (contplanta > 1){
distplanta[contplanta] = ((tempo1-tempo0)*vel);
soma = soma + distplanta[contplanta];
media = soma/(contplanta-1);
Serial.print("Distancia da planta ");
Serial.print(contplanta-1);
Serial.print(" ate a planta ");
Serial.print(contplanta);
Serial.print(" e de ");
Serial.print(distplanta[contplanta]);
Serial.println(" cm");
}
}
//Configuração do sensor SENSOR 2
digitalWrite(trigPinb, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPinb, HIGH);
delayMicroseconds(10);
12
digitalWrite(trigPinb, LOW);
long durationb = pulseIn(echoPinb,HIGH);
long distanciab = durationb /58 ;
if(((distanciab < 10)&& (distanciab >1)) && (sensor1==1)){ //define se tem planta no
sensor 2
tempo2=millis();
tempo2 = tempo2/1000;
tempo0 = tempo1;
sensor1 = 0;
Serial.print("Tempo 2: ");
Serial.println(tempo2);
vel = (distsens/(tempo2 - tempo1));
Serial.print("Vel.: ");
Serial.print(vel);
Serial.println(" cm/s");
Serial.println("___________________________");
for(cont1 =2; cont1 <= contplanta; cont1++){
somaquad = pow(distplanta[cont1]-media,2) + somaquad;
}
//Cálculos para realizar o coeficiente de variação
variancia = somaquad/(contplanta-1);
desvpad = sqrt(variancia);
cv = (desvpad/media)*100;
Serial.print("CV% = ");
Serial.println(cv);
}
delay(300);
}
Após a montagem da estrutura e programação, foi dado início aos testes, que foram
realizados em ambiente fechado (não foi realizado teste em campo), em condições ideais para
que possa haver melhor controle e visualização dos resultados.
13
Ao invés de utilizar uma planta de milho, foram utilizados quatro cones de papel
espaçados a 30, 25 e 20cm respectivamente um do outro (figura 7), para que fosse feira a
simulação da detecção de planta, ressaltando que este projeto visa testar e entender melhor o
funcionamento do equipamento aqui proposto.
Figura 7 - Disposição dos cones de papel
Fonte: DO AUTOR
RESULTADOS
Foram realizados 5 testes em ambiente controlado, e comparados com valores medidos
do método manual. Os resultados estão expressos na tabela 1, e indicam a variação dos valores
reais sobre os valores medidos pelo equipamento, mostrando que houve variações de -3,41 a
3,34 em relação ao valor real.
Tabela 1 - Comparação entre valores reais e medidos com o equipamento
Repetições
1
1
1
2
2
2
3
3
Distância
entre plantas
real (cm)
Distância
entre plantas
medido com
equipamento
(cm)
30
25
20
30
25
20
30
25
30,24
21,86
24,55
28,33
26,54
20,67
31,06
24,51
CV Real (%)
CV medido
com o
equipamento
(%)
Diferença
entre CV real e
medido
16,33
19,14
2,81
16,33
12,99
-3,34
16,33
14,98
-1,35
14
3
4
4
4
5
5
5
20
30
25
20
30
25
20
21,86
29,38
24,56
19,72
30,28
24,65
21.74
16,33
19,74
3,41
16,33
13,87
-2,46
CONCLUSÃO
Com os testes realizados foi observado que o equipamento realiza todos os cálculos
necessários para a medição do coeficiente de variação, mas possui alguns fatores que limitam
a medição precisa e acurada, como a variação da velocidade durante o processo de medição do
coeficiente de variação, devido ao método utilizado para medir a velocidade, e o tipo de sensor
utilizado, que não apresenta grande precisão.
A versão final da estrutura, com os sensores instalados encontra-se na figura 8.
Figura 8 - Estrutura final do protótipo
Fonte: DO AUTOR
AGRADECIMENTOS
Laboratório de Pesquisas Tecnológicas UJI, Fundação Shunji Nishimura de Tecnologia
e GECOM (Grupo de Estudo em Colheita Mecanizada).
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REFERÊNCIAS
ANDERSON, D.R.; SWEENEY, D.J.; WILLIAMS, T.A. Estatística aplicada à
administração e economia. 2 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011.
ARDUINO. Disponível em: <http://www.arduino.cc> Acesso em: 10 set 2013.
ARDUPILOT. Arduino Mega2560. c2013. Disponível em:
<http://www.ardupilot.com.br/index.php?page=shop.product_details&product_id=5&flypage
=flypage.tpl&pop=0&option=com_virtuemart&Itemid=231&vmcchk=1&Itemid=231>
Acesso em: 3 out 2013.
CONAB, COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO. Acompanhamento da
safra brasileira: Grãos Safra 2012/2013. Décimo primeiro levantamento, 2013. Disponível
em:
<http://www.conab.gov.br/OlalaCMS/uploads/arquivos/13_08_09_10_43_44_boletim_portug
es_agosto_2013_port.pdf> Acesso em: 22 out 2013.
DEMARCHI, M. Análise da conjuntura agropecuária. Secretaria da agricultura e do
abastecimento do Paraná, 2011. Disponível em:
<http://www.agricultura.pr.gov.br/arquivos/File/deral/Prognosticos/milho_2011_12.pdf>
Acesso em 06 out 2013.
DORNELLES, A. A. Fundamentos de Linguagem C. Departamento de Engenharia de
Computação e Automação - UFRN. 1997.
DUARTE, J.O. Cultivo do milho: Introdução e Importância Econômica do Milho, Embrapa,
c2000. Disponível em:
<http://sistemasdeproducao.cnptia.embrapa.br/FontesHTML/Milho/CultivodoMilho/importan
cia.htm#topo> Acesso em: 03 out 2013.
JUNIOR, J.C.V.; VENTURA, L.C.G. Automação do processo de pulverização de
defensivos e mapeamento de plantio da produção.2011. 62 f. Trabalho de conclusão de
curso – Universidade Positivo UP, Curitiba, 2011.
LET’S MAKE ROBOTS. 2011. Disponível em: < http://letsmakerobots.com/node/30209>
Acesso em: 31 out 13.
16