Proposta de arquitetura de sistema para redes de sensores
aplicada no contexto de pulverização agrícola
Ivairton Monteiro Santos12, Thiago da Silva2, Carlos Eduardo Cugnasca1
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Escola Politécnica da USP – Universidade de São Paulo
São Paulo – Brasil
Instituto de Ciências Exatas e da Terra/ Campus Universitário do Araguaia –
Universidade Federal de Mato Grosso
Barra do Garças - Brasil
[email protected], [email protected],
[email protected]
Abstract. One challenge in agricultural production is the application of
pesticides efficiently, without pesticide drift, with low cost, and without
contaminating the environment. To minimize the pesticide drift effect, it is
important to know environmental conditions, such as wind, temperature, and
humidity at the time of application. The use of wireless sensor networks in a
support and control system for pesticide drift is discussed. This work proposes
an architecture for sensor networks in pesticide spraying problem. The main
functionalities determine which environmental conditions are suitable or not
for application, monitoring the direction and speed of the wind in order to
make corrections in the path of spray vehicle, and evaluates the spray
efficiency. Furthermore, the architecture describes the system modules, the
connections between them, and the services available.
Resumo. Um dos principais desafios na produção agrícola atual é a
aplicação de defensivos químicos de modo eficiente, evitando o efeito da
deriva, sem causar contaminação do solo, água e com redução de custos.
Para minimizar a ocorrência da deriva é fundamental o conhecimento preciso
das condições ambientais no momento da aplicação, como o vento,
temperatura e umidade. Um sistema que utilize redes de sensores sem fio pode
dar suporte ao agricultor no controle da deriva. Este trabalho discute e
propõe uma arquitetura para uso das redes de sensores. Propõe-se
funcionalidades do sistema como, a avaliação das condições ambientais,
suporte no estabelecimento da rota do veículo pulverizador e avaliação da
eficiência da pulverização. Além disso, a arquitetura descreve os módulos que
irão compor o sistema, sua integração e serviços oferecidos.
1. Introdução
O uso indiscriminado dos recursos naturais tem causado a redução da capacidade
agrícola e danos ambientais. A Agricultura de Precisão (AP) tornou-se o principal
mecanismo, na produção agrícola, para um uso racional e otimizado dos recursos
naturais. [Adrian et al., 2005].
A aplicação de defensivos agrícolas de maneira eficiente, com baixo custo, baixo
desperdício, com correta cobertura da cultura e sem contaminar o meio ambiente, é um
desafio enfrentado pelos produtores. O principal problema a ser evitado durante a
pulverização é a deriva. Deriva é o movimento lateral das partículas, que pode deslocar
o defensivo para fora da área alvo da aplicação, causando prejuízo e contaminação das
áreas vizinhas. Para minimizá-la é preciso configurar adequadamente os equipamentos
de pulverização e conhecer com precisão as condições ambientais no instante da
pulverização, especialmente a direção e velocidade do vento, além da temperatura e
umidade [Chaim, 2009; Hewitt, 2000].
Novas tecnologias têm sido introduzidas no campo, entre elas pode-se destacar o
uso das Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) [Akyildiz et al., 2002] para o
monitoramento de diferentes aspectos da cultura e das condições ambientais [Camilli et
al., 2007]. As RSSF podem ser aplicadas no problema do controle da deriva, buscando
mais eficiência no processo de pulverização agrícola de defensivos.
Este trabalho propõe uma arquitetura para definir uma organização lógica dos
componentes envolvidos na utilização de uma rede de sensores para o monitoramento e
suporte do processo de pulverização agrícola.
2. Pulverização agrícola e o controle da deriva com suporte das RSSF
No processo de aplicação de defensivos agrícolas, as condições ambientais são
determinantes para um ambiente favorável para a pulverização. O principal efeito a ser
evitado na pulverização agrícola é a deriva. Este efeito sempre ocorre, mas se torna
intolerável quando a distância percorrida pelas gotas é grande o suficiente para que elas
saiam da área em tratamento. Esse problema se torna crítico quando a deriva causa
desperdício de produto, ineficiência na aplicação e dano a culturas vizinhas,
contaminação de cidades, pessoas, animais ou cursos d'água [Hewitt, 2000].
Os principais fatores que interferem na formação da deriva são: o diâmetro e
peso das gotas; o vento; a temperatura; a umidade relativa do ar; e a altura de
lançamento das gotas [Chaim, 2009]. Este trabalho irá concentrar-se no aspecto da
velocidade e direção do vento, especialmente em um contexto de pulverização
executada por aeronave.
Como nenhuma gota consegue se mover contra o vento, o planejamento da
aplicação levando em conta a direção do vento é vital para o controle da deriva.
Trabalhar com o vento na direção favorável pode garantir a segurança de áreas vizinhas.
Dessa forma, monitorar esses aspectos antes e durante o processo de pulverização é
determinante para a qualidade e segurança da aplicação do defensivo.
Um sistema computacional, capaz de avaliar parâmetros ambientais, pode
auxiliar a estabelecer estratégias no processo de pulverização que minimiza a ocorrência
da deriva, se tornando uma ferramenta de auxílio ao agricultor [Santos e Cugnasca,
2012]. As RSSF representam uma ferramenta nesse contexto e podem exercer três
funcionalidades: i) monitoramento das condições ambientais, ii) suporte ao operador no
processo de pulverização e iii) avaliação da eficiência da pulverização.
2.1. Monitoramento das condições ambientais
A primeira funcionalidade consiste em avaliar as condições ambientais (velocidade e
direção do vento, temperatura e umidade). A RSSF monitora as condições ambientais
(antes e durante o processo de pulverização) atuando como um sistema de decisão,
avaliando e identificando um contexto que seja proibitivo ao processo de pulverização.
2.2. Suporte na definição da rota de pulverização
A segunda funcionalidade consiste em dar suporte à aeronave de pulverização. Nesse
caso, a RSSF monitora a direção e velocidade do vento e informa à aplicação embarcada
na aeronave, para que então esta decida por correções na rota de pulverização. O
objetivo é uma pulverização uniforme da área a ser tratada e evitar a deposição do
produto em regiões fora da área de interesse.
Essa correção deverá acontecer durante a passagem da aeronave sobre a área a
ser pulverizada, sugerindo correções na rota de pulverização por meio de GPS. Se o
sistema for empregado em um contexto de pulverização por Veículos Aéreos Não
Tripulados (VANTs), então a rede de sensores pode enviar dados para o sistema de
navegação do(s) VANT(s).
2.3. Avaliação da pulverização
As RSSFs permitem avaliar a eficiência do processo de pulverização com o uso de
sensores de umidade foliar [Bregaglio et al., 2011]. Esses dados também podem ser
utilizados em processos de otimização do próprio sistema, por meio de técnicas de
inteligência artificial ou otimização combinatória. Como consequência, o sistema avalia
também a eficiência da utilização das RSSF no processo de decisão e suporte à
pulverização.
Com o desenvolvimento de novas estratégias e o amadurecimento das
tecnologias empregadas na AP, há perspectivas de novas funcionalidades e a ampliação
do uso das RSSF. Dessa forma, planejar uma arquitetura de sistema que contemple a
interoperação entre os sistemas e funcionalidades (monitoramento, suporte na definição
de rotas, e avaliação da eficiência) é essencial para garantir a integração dos sistemas e
amplo aproveitamento das tecnologias.
3. Proposta de arquitetura do sistema
A rede de sensores possui dois tipos de nós sink, um sink fixo e um móvel. A Figura 1
ilustra os elementos que compõe o sistema. Há um sink móvel embarcado na aeronave
pulverizadora que se comunica com qualquer outro nó da rede de sensores, estando ele
ao seu alcance. Um sink fixo é um nó comum da rede de sensores, mas adicionalmente
atua como uma “porta de entrada” para a RSSF. É o ponto de partida para a execução de
comandos ou requisições do usuário para a rede e que recebe os dados registrados pelos
sensores e encaminha ao usuário.
A arquitetura proposta irá considerar a função dos principais elementos do
sistema. Dessa forma, será organizada em três componentes principais: 1) Aplicação
Sink fixo; 2) Aplicação Sink móvel; 3) Serviços web. A Figura 2 apresenta a arquitetura
proposta e a integração entre os componentes. Com esta arquitetura, é possível utilizar
diferentes padrões de infraestrutura e protocolos de roteamento de dados.
Figura 1. Principais componentes da RSSF no contexto da pulverização
agrícola.
Figura 2. Arquitetura geral do sistema.
Na Figura 2 é possível identificar que dois componentes estão inseridos na RSSF
(Aplicação Sink Fixo e Aplicação Sink Móvel). O componente Aplicação Sink Fixo é
responsável pela preparação da RSSF, execução de consultas e assegurar o
funcionamento do protocolo de roteamento de dados. Enquanto que o componente
Aplicação Sink Móvel é mais elaborado, pois contém subcomponentes para obter os
dados da RSSF, processá-los, verificá-los com os parâmetros ambientais definidos para
a aplicação, armazenar tais dados e, por fim, propor correções na rota da aeronave
pulverizadora.
O componente Serviços Web é responsável por fornecer todos os possíveis
serviços desta aplicação por intermédio das tecnologias da Internet. Desta forma, as
funcionalidades da RSSF podem ser acessadas por qualquer aplicação usuária com
acesso à Internet, de modo independente de linguagem de programação.
As seções seguintes detalham cada um dos componentes da arquitetura proposta.
3.1 Componente Aplicação Sink Fixo
O sink fixo integra-se diretamente com os nós que compõe a rede de sensores. Na
arquitetura proposta, o componente Aplicação Sink Fixo atua como um fornecedor de
serviços para o ambiente externo e executa o papel de interface entre as aplicações e a
rede, servindo de ponto de entrada para solicitação dos serviços providos pela RSSF.
O subcomponente TrataRequisições identifica o tipo de requisição e delega a um
Manipulador a correta execução daquele serviço. Cada Manipulador está associado a
um serviço e, através do subcomponente Binding, interage com o a pilha de protocolos
da RSSF. O Binding cria mensagens no protocolo adotado pela rede de sensores.
Os principais serviços fornecidos pela rede são: Preparação da Rede e a Consulta
localizada. A preparação da rede consiste do envio de um conjunto de parâmetros para
os nós sensores, para que estes se organizem dada a regra definida pelo protocolo de
roteamento de dados. A consulta localizada é um serviço que possibilita ao usuário
executar uma consulta de dados em uma região específica. Dessa forma, este serviço
encaminha à RSSF uma consulta com seus respectivos parâmetros, como por exemplo,
a coordenada da consulta, o raio de alcance e quais dados devem ser registrados.
3.2 Componente Aplicação Sink Móvel
O componente Aplicação Sink Móvel faz uso de um Repositório para registro dos dados
entregues pelos nós da RSSF. Esse repositório armazena temporariamente os dados
ambientais durante a aplicação. Em um momento posterior, tais dados são processados e
armazenados em definitivo em uma base de dados. Outros serviços poderão acessar e
utilizar essas informações em suas aplicações.
Existem três subcomponentes principais na aplicação do sink móvel:
ColetaDadosAmbientais, AnalisaDadosAmbientais e CorrigeRotas. O subcomponente
ColetaDadosAmbientais coleta os dados dos nós da rede de sensores por meio de
estruturas do tipo Listen, registra os dados no Repositório e encaminha para o
subcomponente AnalisaDadosAmbientais. Este serviço é responsável por monitorar as
condições ambientais, conforme descrito na Seção 2.1 e disparar eventos (Triggers) nos
casos em que os dados configuram uma condição desfavorável a aplicação aérea. O
subcomponente CorrigeRotas utiliza da informação sobre as condições ambientais,
podendo sugerir correções na rota de pulverização. Este subcomponente pode interagir
com o sistema de navegação da aeronave, conforme descrito na Seção 2.2.
Os dados ambientais armazenados no Repositório e o histórico de correções de
rotas são posteriormente persistidos no banco de dados do sistema.
3.3 Componente Serviços Web
O componente Serviços Web expõe as funcionalidades da RSSF por meio de serviços
Web. Os serviços são baseados nas informações persistidas no banco de dados. Ou
ainda, tais serviços podem acessar diretamente o sink fixo, por exemplo, requisitando a
execução de uma busca local de dados ambientais.
Dessa forma, algumas aplicações podem ser desenvolvidas como, histórico de
correções de rotas executadas pelo sink móvel; histórico de condições ambientais; e
registro e análise da eficiência do processo de pulverização, conforme descrito na Seção
2.3. É neste componente que serviços de análise e processamento de informação serão
implementados
Maiores detalhes sobre a arquitetura proposta podem ser obtidas no seguinte
endereço: http://cpd1.ufmt.br/ivairton/sbiagro2013.
4. Conclusão
Este trabalho apresentou uma arquitetura de software para aplicações de RSSF para o
monitoramento e suporte do processo de pulverização agrícola. A arquitetura proposta
usa uma abordagem baseada em serviços e permite as aplicações usuárias interagirem
com a RSSF como uma unidade provedora de serviços, sem se preocupar com a
infraestrutura ou protocolos da rede. Ademais, a arquitetura contempla uma
configuração de rede de sensores com mais de um perfil de sink e em qualquer número
necessário.
Como trabalho futuro pretende-se criar uma aplicação como prova de conceito
da arquitetura proposta.
Agradecimentos:
Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Mato Grosso
(FAPEMAT) e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
(CAPES).
Referencias
Adrian, A.M., Norwood, S.H., Mask, P.L. (2005). Producers’ perceptions and attitudes
toward precision agriculture technologies. In Computers and Electronics in
Agriculture, pages 256–271, v. 48.
Akyildiz, I. F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y., Cayirci, E. (2002). A survey on sensor
networks. In IEEE Communications Magazine pages 102–114, v. 40.
Bregaglio, S., Donatelli, M., Confalonieri, R., Acutis, M., & Orlandini, S. (2011). Multi
metric evaluation of leaf wetness models for large-area application of plant disease
models. In Agricultural and Forest Meteorology, pages 1163-1172, 151(9).
Camilli, A., Cugnasca, C. E., Saraiva, A. M., Hirakawa, A. R., Corrêa, P. L. P. (2007).
From wireless sensors to field mapping: Anatomy of an application for precision
agriculture. In Computers and Electronics in Agriculture, pages 25–36, v. 58.
Chaim, A. (2009). Manual de Tecnologia de Aplicação de Agrotóxico. Ed. Embrapa.
Hewitt, A. (2000) Spray drift: impact of requirements to protect the environment. In
Crop Protection, pages 623–627, v. 19.
Santos, I. M., Cugnasca, C. E. (2012). “Pesticide drift control with wireless sensor
network”. In 11th International Conference on Precision Agriculture, IndianapolisUSA.