SISTEMA DE IRRIGAÇÃO INTELIGENTE COM MONITORAMENTO REMOTO

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO NORTE

Técnico integrado em informática

SISTEMA DE IRRIGAÇÃO INTELIGENTE COM MONITORAMENTO REMOTO

MARIA FERNANDA SILVA SANTOs

João pedro de medeiros silva

Resumo

O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema de irrigação automático e inteligente, considerando fatores como a umidade do solo e ar, bem como a incidência solar. A agricultura de irrigação é o setor que mais demanda à utilização da água e também o que mais desperdiça este recurso. Nesse sentido, a pesquisa apresenta um elemento centrado em contornar o desperdício de água - a tecnologia. O uso da tecnologia possibilita utilizar uma quantidade mínima de recurso requerida em cada área específica, além disso, consegue-se tratar cada planta de maneira única e diferenciada. Desse modo, tendo como norte a tecnologia de sensores e programação atribuída ao Arduíno, objetiva-se tornar a irrigação autônoma e sustentável.

Palavras-chave: Irrigação. Agricultura. Tecnologia.

Abstract

The present study aims to develop an automatic and intelligent irrigation system, considering factors such as soil and air humidity, as well as solar incidence. Irrigation agriculture is the sector that most demands water use and also wastes this resource the most. In this sense, the research presents an element centered on circumventing water waste - technology. The use of technology makes it possible to use a minimum amount of resources required in each specific area, and it is possible to treat each plant in a unique and differentiated way. Thus, based on the sensor and programming technology attributed to Arduino, the objective is to make irrigation autonomous and sustainable.

Keywords: Irrigation. Agriculture. Technology.

Introdução

A Internet é o conjunto de redes de computadores global, que possibilita a interação social e cultural e o compartilhamento de informações. Apesar de estar em nossas vidas há apenas duas décadas, já é um elemento essencial e integrou-se em praticamente todos os processos pessoais, comerciais ou empresariais, e sem a Internet já não é possível trabalhar ou até mesmo pagar contas.

Um dos novos usos da Internet, é a Internet das Coisas, ou “Internet of Things – IOT”, como é mais conhecida, que permite não só se comunicar nas redes, mas estendê-la para limites imensamente maiores do que a Internet que estamos habituados. Automação residencial, rede de energia inteligente, cadeias logísticas, mobilidade urbana e gerenciamento de processos são apenas alguns dos vários cenários potenciais.

Nos últimos 45 anos o agronegócio brasileiro cresceu exponencialmente (MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, PECUÁRIA E ABASTECIMENTO, 2015). Este é um dos mais importantes setores da economia, quer na geração de riquezas, empregos ou insumos. O aumento da produtividade se deu, principalmente, pela adoção de tecnologia no campo.

A agricultura inteligente ou de precisão é um sistema que permite entre outras coisas o aumento da produção, rentabilidade e otimização dos recursos hídricos respaldado pela tecnologia, especialmente das técnicas da IoT.

De acordo com Assumpção (2017) pesquisas atuais indicam que até 2020 haverá 25 bilhões de dispositivos no mundo e 04 bilhões de usuários conectados. Tudo isso contribuirá para que no futuro não tenhamos somente produtividade, mas sustentabilidade e uma agricultura de potencial.

O Brasil, segundo dados corroborados pela Embrapa e a Agência Nacional de Água (ANA), está entre os países com maior área irrigada do mundo. Apesar do imenso potencial que possui para a irrigação, menos de 10% da área é aplicada à tecnologia.

Outro fator importante diz respeito ao consumo de água no agronegócio. Segundo pesquisas, o índice de desperdício decorrente do manejo errôneo e má utilização da água chegam a quase 50% do total gasto pelo setor (ANTONELLI, 2012).

A agricultura é o setor que mais demanda à utilização de água. Por isso, este trabalho busca a aproximação do agricultor com a tecnologia a fim de tornar mais eficiente o uso desse recurso, evitando ao máximo desperdício. O estudo também contribuirá com futuros trabalhos acadêmicos e com melhorias nas técnicas de irrigação.

Este estudo aborda o uso das tecnologias do campo, mais precisamente da irrigação de modo que seja possível a otimização da colheita e aumento da produtividade, como por exemplo, os modelos econômicos desenvolvidos no Brasil pelos pesquisadores da Embrapa, que controlam a irrigação, sejam a falta ou o excesso de água, promovendo a economia dos recursos hídricos, financeiros e do tempo. (SILVA, 2015).


REFERENCIAL TEÓRICO

Um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou plantas) construídos com o objetivo de se obter um saída desejada com um desempenho desejado, dado uma entrada específica (NISE, 2012).

Construir um sistema de irrigação inteligente requer a união dos componentes certos e do direcionamento entre eles, para haver esse controle usaremos o Arduíno, que é um pequeno computador programável para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. Este microcontrolador será usado para que possamos interagir com o ambiente por meio de hardware e software.

    Porém, é válido visar que nosso projeto abrange mais do que irrigação usando sistemas embarcados (classificação na qual o Arduíno se enquadra), também será feito uma interface web na qual os usuários vão poder controlar e verificar seu sistema de automação.

    Do lado do cliente – o que o agricultor visualizará – usaremos os três principais recursos para a produção de um site: HTML, CSS e Javascript. O HTML uma linguagem de marcação para hipertextos – todo documento para a web e que tem como principal característica a possibilidade de se interligar a outros documentos web – para estruturar o site. Já o CSS é um padrão de formatação para documentos HTML. Ele permite uma maior versatilidade no desenvolvimento da aparência dos sites sem aumentar o seu tamanho. E finalmente, O JavaScript: entre os três últimos citados, esta é a única linguagem de programação. A ampla maioria dos sites modernos usa Javascript, assim como todos os navegadores modernos. Com essa linguagem será possível alterar elementos visuais disponíveis no site, ou seja, dando ao portal uma experiência dinâmica.

    Porém, mesmo com o poder que o JavaScript detém, ele não é adequado ao uso de por exemplo, manipulação de dados, para isso usamos linguagens chamadas de “server-side” (ou “do lado do servidor”, em português). A linguagem que usaremos para cumprir com este objetivo é o PHP, que foi criada para atender demandas para projetos na web. O fato da comunidade de programadores adeptos ao PHP ser enorme possibilita facilidade a resolução de possíveis problemas. A simplicidade para escrever desde projetos pequenos aos mais complexos também foi importante para a escolha desta linguagem em meio a tantas outras.

    O projeto visa também guardar, analisar e usar os dados recolhidos pelo equipamento, para assim, trazer resultados teóricos e possibilidade de traçar planos para desenvolvimento das plantas em questão. Para este fim, usaremos o SGBD (Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados) MySQL, que é capaz de suportar a grande maioria dos recursos considerados importantes pelos usuários e possui desempenho satisfatório comparado aos concorrentes.


SENSORES

Sensores têm a função de informar ao circuito eletrônico um fato que ocorra fora, sobre o qual ele deve agir, ou a partir de um fato que ele deva gerenciar a uma determinada ação (WENDLING, 2010). Dentre os métodos utilizados para o manejo da irrigação, o uso de sensores podem servir para definir o momento ideal da irrigação como da quantidade de água a ser aplicada no solo.


Sensor de Umidade LM393

O sensor de umidade LM393 (Figura 1) detecta as variantes de umidade no solo a partir de suas propriedades elétricas osciladas pela presença de água. O padrão de mercado possui duas hastes e, por conseguinte, duas saídas, uma digital e outra analógica. O pino analógico varia de acordo com a umidade do solo, enquanto que a digital apenas fornece níveis altos e baixos.

Tratando-se de um sensor em que a resistência elétrica varia conforme a umidade. Constata-se que quanto mais úmido estiver o solo, menor é a resistência do sensor e quanto mais seco, maior a resistência. Em termo de saída digital, verifica-se que quando a umidade está baixa, ou seja, quando o solo encontra-se seco, obtém-se como resultado níveis altos. Em Contraposição, quando a umidade está baixa, ou seja, o solo encontra-se úmido, a saída permanece em níveis baixos.


Sensor de Umidade LM393
Sensor de Umidade LM393Produino

A umidade do solo será medida por um sensor alocado na área cultivada, sendo a profundidade do sensor no solo, um dos parâmetros de destaque. A seguir, a tabela 1 apresenta os diversos comprimentos e profundidades importantes no momento de colocar no solo o sensor de umidade para diferentes tipos de cultivos. 

Indicação da profundidade do sensor no solo
 Aparelho
Superficial
(centímetros)

Aparelho
Profundo
(centímetros)



Aparelho
Superficial
(centímetros) 
Aparelho
Profundo
(centímetros) 

Alfafa45-6090-120Fumo20-3875
Amêndoa60120Girassol60120
Alcachofra4590Limão, Laranja4590
Aspargo45-6090-120Linho4590
Abacate3060Lúpulo60120
Algodão4590Milho (doce)3075
Alface30 Milho (campo)4590
Abacaxi3875Maçã50100
Amendoim30 Mirtilo3060
Acelga2560Melão 4590
Ameixa60120Melancia 4590
Abóbora4590Mostarda 4590
Alho3060Menta3060
Banana 3060Morango1530
Brócolis 3050Nectarina 4590
Beterraba30-4560-90Nabo4590
Berinjela3060Pepino4590
Batata20-2545Pinus3060
Batata doce4590Pêssego60120
Couve3050Pasto20-3860-75
Cevada4590Pera4590
Cenoura3060Pimenta3875
Couve-flor3060Papaia3060
Cereja60120Pêssego60120
Café30-6090-120Romã4590
Cana-de-açúcar4590Rabanete30 
Chá3060Soja4590
Cebola30
Salsão2530
Ervilha4590Tomate 4590
Espinafre3060Trigo14590
Framboesa3045Uvas60120
Figo4590Vagem4590
Feijão2545   
     
TRACOM Imp. Exp. e Com Ltda.


Sensor de Luminosidade 

O sensor de luminosidade Photo-resistor LDR Light Sensor Module (Light Dependent Resistor), apresentado na figura 02, é um componente cuja resistência varia de acordo com a intensidade da luz. Quanto maior for a intensidade da luz sobre ele, menor a resistência e quanto menor for a intensidade da luz maior sua resistência (MCROBERTS, 2015).

Sensor de Luminosidade
Sensor de Luminosidade Produino


Sensor de Temperatura DHT11 

Para a detecção da temperatura do ambiente será utilizado o módulo de sensor de umidade e temperatura DHT11 para Arduíno. Este sensor faz medições de temperatura de 0º até 50º celsius e mede a umidade do ar nas faixas de 20% a 90%, no entanto apenas será considerado o módulo de verificação de temperatura.

Sensor de Temperatura e Umidade do ar DHT11
Sensor de Temperatura e Umidade do ar DHT11Produino

A priori, foi feita uma pesquisa a fim de escolher quais culturas de plantas seriam utilizadas para fazer o levantamento de dados de temperatura. A escolha das plantas teriam que atender as necessidades de clima e solo da região do Seridó do Rio Grande do Norte, assim foram escolhidas as principais culturas brasileiras.

Logo após, a pesquisa voltou-se para as informações específicas das plantas selecionadas (tabela 2), para que assim, seja possível ofertar um sistema inteligente para o usuário final. Após coletar as informações, elas foram guardadas e organizadas no banco de dados do projeto.

Faixa de temperatura ideal para cultivo das principais culturas brasileiras
CulturaFaixa de temperatura ideal para cultivo (ºC)
Melão                                            [25-30]
Mamão                                            [21-33]
Algodão                                            [18-30]
Amendoim                                            [25-35]
Café                                            [19-22]
Cana-de-açúcar                                            [22-30]
Milho                                            [24-30]
Mandioca                                            [20-27]
Soja                                            [20-30]
Goiaba                                            [ 25-28]
Embrapa

ETHERNET SHIELD ESP8266 

O Ethernet Shield ESP8266 é um microcontrolador que possibilita o Arduíno se conectar a internet ou rede local através do seu sistema de comunicação WiFi embarcado. No projeto, ele será responsável pela comunicação dos sensores com a web. 

Ethernet Shield ESP8266
Ethernet Shield ESP8266Thomsen (2015)


Tabela geral de especificações do ESP8266
  
                          Voltagem                              3.3V           
                 Consumo de Corrente                             10 µA
                       Memória Flash                  16MB max (512k normal) 
                        Processador                    Tensilica L106 32 bit 
              Velocidade do processador                         80-160MHz 
                              RAM                           32K + 80K 
                             GPIOs          17(multiplexada com outras funções)
                  Analógico para digital              1 entrada com 1024 de resolução 
                       Suporte 802.11                          b/g/n/d/e/i/k/r
           Máxima corrente de conexão TCP                                 5
Thomsen (2015)


METODOLOGIA

Para decidir qual é o momento ideal para a irrigação, é necessário alguns dados como a umidade da terra e a luminosidade que a planta está recebendo. Logo, como mostra a figura 5, será usado o sensor de umidade do solo conectado ao microcontrolador. Da mesma forma, há também um sensor para verificar a luminosidade presente no ambiente, também conectado ao controlador. O objetivo dos sensores será o de verificar as informações para que junto ao microcontrolador, seja possível traçar o melhor momento para irrigar.

Representação esquemática do sistema de irrigação
Representação esquemática do sistema de irrigação Os autores (2019)

Enquanto os sensores coletam as informações, quem as está recebendo é o microcontrolador, que por sua vez, como mostra a figura 6, estará conectado ao banco de dados que contém dados como temperatura ideal de cada planta. Portanto, ao verificar as informações vindas dos sensores, o microcontrolador irá comparar com as já presentes no banco de dados, e assim, se ao analisar a situação completa e for verificado que a planta não está em suas condições ideais, será feita a irrigação.

Para agregar, foi utilizado o Ethernet Shield para estabelecer uma conexão entre os dados recebidos no momento exato da verificação e os guardados no banco de dados, e assim, possibilitar uma comparação entre os dois grupos de dados. Dessa forma, quando o microcontrolador perceber, que de acordo com o banco de dados, a situação está adequada, este deverá iniciar a irrigação de forma automática. A figura abaixo representa a situação descrita

Representação esquemática do armazenamento de informações do sistema de irrigação
Representação esquemática do armazenamento de informações do sistema de irrigaçãoOs autores (2019)

No ato de irrigar, o microcontrolador irá enviar um sinal até a bomba, que também foi conectada ao Arduíno, e assim, este poderá liberar o fluxo de água pelo tempo necessário para satisfazer a planta. Enquanto a bomba estiver realizando sua função os sensores continuarão ativos, sendo assim, é possível controlar também o momento em que a bomba irá bloquear a passagem de água

Todo o funcionamento pode ser representado em um pequeno diagrama, como mostrado na figura 7, onde o Arduíno, nosso microcontrolador, está conectado a sensores que têm por objetivo analisar as condições atuais da planta. O Arduíno também está conectado na nuvem, como mostrado na figura 7 e na figura anterior, isso significa que é possível a troca de informações entre o microcontrolador e o banco de dados.

O banco de dados não está conectado apenas ao lado físico, mas também ao site que aplica na prática o monitoramento remoto, já que a página web deve ser capaz de mostrar alguns dados que estão presentes na base de dados, como as informações contidas pela sonda.

Representação esquemática do sistema de irrigação integrado ao portal web
Representação esquemática do sistema de irrigação integrado ao portal webOs autores (2019)

Como representado na figura abaixo, no sistema há um registro para os usuários, que recebe o nome “usuario”, assim, apenas os que têm um cadastro aprovado dentro do sistema podem acessar os dados exibidos na página web.

 Para poder administrar corretamente, é necessário saber quais sondas estão sendo usadas, por isso precisamos guardar todas as sonsas no nosso conjunto de dados, que nomeamos de “sonda”, em nosso banco de dados. Essa sonda irá receber informações importantes para o projeto, logo, usamos “dados_sonda”, dessa forma podemos possuir um registro de como se encontrava a temperatura, a umidade do solo e a luminosidade em determinada data através de determinada sonda.

 Para concretizar a ideia de forma eficaz, precisamos saber quais são as condições ideais para as plantas que teremos o sistema de irrigação aplicado, sendo assim, a tabela “referencia” é responsável por armazenar tais condições, e assim, tornando possível as comparações entre umidade do solo ideal e a real, por exemplo.

Banco de dados do sistema de irrigação
Banco de dados do sistema de irrigaçãoOs autores (2019)


ANÁLISE DOS RESULTADOS

Este capítulo apresenta os resultados alcançados após os testes dos sensores e a integração do circuito realizados com o protótipo e o web site. Nesta fase foram desenvolvidos os principais itens para o controle e comunicação do sistema.

Análise do funcionamento do protótipo

Para realizar testes foi necessário produzir uma versão do equipamento que aceitasse modificações, que é exibida na figura abaixo. Este permitiu visualizar o funcionamento dos componentes de forma individual e coletiva, porém, existe uma série de dificuldades, como por exemplo na organização, que impossibilita apresentar um protótipo pequeno, também é visto o alto número de ocorrência de problemas devido ao mal contato. Para evitar esses problemas, é necessário submeter ao processo de solda, e assim, possuir uma versão final do protótipo.

Circuito do sistema de irrigação
Circuito do sistema de irrigaçãoOs autores (2019)

O processo de fabricação da placa de circuito impresso envolve a transferência do desenho do circuito (figura 9) para a uma fina superfície de cobre em uma placa de material isolante.

Soldagem da placa de circuito impresso do sistema de irrigação
Soldagem da placa de circuito impresso do sistema de irrigaçãoOs autores (2019)


Placa de circuito impresso do sistema de irrigação
Placa de circuito impresso do sistema de irrigaçãoOs autores (2019)

A placa de circuito impresso (PCI) possibilita a diminuição do circuito e proporciona uma experiência de praticidade e confiabilidade por impossibilitar as aparições de ligações curto-circuitadas ou rompidas. Ademais, ela propicia uma ajuda visual que acelera a montagem correta do circuito, minimizando assim os erros e dificuldades de montagem.

Para o funcionamento lógico do sistema foi necessário desenvolver uma programação atribuída ao Arduíno. O código é responsável por verificar as condições de umidade do solo e incidência solar sobre a planta e, assim, averiguar se a irrigação deve ou não ocorrer. O trecho do código indicado na figura 15 é encarregado pelo ato de irrigação se as condições oferecidas foram verdadeiras. Dessa forma, constata-se que se a umidade do solo for > 700, ou seja, se o solo encontrar-se seco e o 'valorLuz = 1', ou seja, se o ambiente estiver com pouca ou nenhuma luz solar a planta está pronta para receber a irrigação. Caso as duas preposições não forem verdadeiras, significa que a planta não se encontra em um momento propício para ser irrigada. 

Trecho do código referente a declaração de variáveis
Trecho do código referente a declaração de variáveisOs autores (2019)


Trecho do código referente a definição dos pinos utilizados no Arduíno
Trecho do código referente a definição dos pinos utilizados no ArduínoOs autores (2019)


Trecho do código referente a leitura e impressão dos dados
Trecho do código referente a leitura e impressão dos dadosOs autores (2019)


Trecho do código referente a irrigação
Trecho do código referente a irrigaçãoOs autores (2019)


Trecho do código referente às condições não favoráveis à irrigação
Trecho do código referente às condições não favoráveis à irrigaçãoOs autores (2019)

ANÁLISE DO FUNCIONAMENTO do portal web

Posteriormente, foi iniciado o desenvolvimento da plataforma na web que será usada como interface entre a parte física e o usuário. Foi feito a criação da página, desenvolvimento do layout e a integração entre a plataforma e o banco de dados.

 Após se identificar com o nome e senha, ação realizada na página mostrada na figura 18, o cliente terá acesso a todas as informações referentes ao seu plantio em forma de gráfico (figuras 19 e 20). Exibir essas informações só é possível graças a integração feita anteriormente.

A figura 17, referente ao cadastro de novos usuários é de uso exclusivo dos desenvolvedores do projeto, para assim, manter a segurança e integridade do sistema. Enquanto que a figura 18, é a página que irá verificar se o usuário tem permissão de acessar as informações. As figuras 19 e 20 exibem como os dados se dispõem aos utilizadores do sistema. Inicialmente expressa um gráfico resumido contendo todas as informações e abaixo, gráficos semelhantes, porém cada um dedicado a uma variável diferente.


Tela de cadastro do portal web
Tela de cadastro do portal webOs autores (2019)


Tela de login do portal web
Tela de login do portal webOs autores (2019)


Tela principal do portal web parte 1
Tela principal do portal web parte 1Os autores (2019)


Tela principal do portal web parte 2
Tela principal do portal web parte 2Os autores (2019)


CONCLUSÃO

Este trabalho apresentou o desenvolvimento de um sistema de irrigação autônomo, a partir da integração de diferentes áreas do conhecimento, como programação e eletrônica. Este sistema conta com o uso de sensores inteligentes que possibilitam o monitoramento das plantas. Além disso, é possível utilizar uma quantidade mínima requerida de recursos hídricos em cada área específica, como o sensor monitora cada planta, é possível realizar o plantio de culturas diversas no mesmo espaço.

O sistema detém de um protótipo que pode ser utilizada em pequenas áreas agrícolas. No geral, o equipamento revelou-se prático, fácil de ser operado e eficiente, graças a integração de hardware e software. A possibilidade de visualização dos dados no portal web permite o usuário analisar as condições referentes a temperatura, umidade do solo e luminosidade do ambiente. Dessa forma, conclui-se que o objetivo proposto pelo documento foi atingido, já que o sistema permite tratar a irrigação de forma inteligente e remota.

Como sugestões para trabalhos futuros, algumas melhorias que podem ser feitas, são:

  • Implementar o uso do sensor de umidade do ar, o que possibilitará um sistema ainda mais preciso e eficiente no ato de irrigar;
  • Desenvolver no portal web uma ferramenta que torne possível gerar relatórios acerca da temperatura, umidade do solo e luminosidade durante um determinado período tempo.


Referências

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