Rede de Controle sem Fio na Agricultura de Precisão

Os sistemas wireless têm conquistado muito espaço nos projetos de automação por permitirem monitorar e controlar o funcionamento de ambientes e processos produtivos de forma segura e rápida. A grande variedade de condições encontradas nas áreas agrícolas exige uma flexibilidade maior dos dispositivos selecionados. Os sistemas de automação e aquisição de dados devem assumir os mais variados graus de complexidade oferecendo

rapidez e confiabilidade na aquisição dos dados, operando em conjunto com dispositivos atuadores para manutenção das condições ideais de produtividade (DALLY et al.,1993). 3.8.1. Rede de Sensores sem Fio (RSSF)

Redes de Sensores Sem Fio (LOUREIRO et al. 2003) são redes ad-hoc (sem controle centralizado e sem topologia pré-determinada) formadas por nós sensores capazes de comunicar-se mutuamente e que possam servir como roteadores de seus nós vizinhos, possuindo pelo menos um ponto de comunicação denominado estação-base. Redes de sensores funcionam de forma comunitária, formando células de influência dentro das áreas monitoradas, criando links de roteamento com os seus terminais vizinhos e conseguindo assim a cobertura de grandes áreas com baixo consumo de energia.

O objetivo principal destas redes é coletar informação. Normalmente, sem infra- estrutura pré-estabelecida, como ocorre com redes de celulares ou redes locais sem fio, essas redes podem ser formadas por milhares de pequenos dispositivos (RUIZ, 2003), aqui denominados nós ou nodos, dotados de capacidade de armazenamento, processamento, comunicação e sensoriamento. Cada nó pode ser equipado com diferentes tipos de sensores, dada a natureza diversa de suas aplicações, tais como: temperatura, pressão, umidade, radiação, acústica e outros.

Nós sensores podem ser usados para monitoramento contínuo, detecção de eventos aleatórios, localização e controle local de atuadores. As áreas de aplicação das RSSFs são proeminentes e se destacam na área militar, meio-ambiente, agricultura, saúde, automação residencial, monitoramento de estruturas e aplicações comerciais.

As RSSFs podem auxiliar no controle de incêndios florestais, pois detectada uma área de incêndio os nós fontes podem disseminar dados como temperatura, pressão barométrica, umidade, luz e velocidade do vento, informações que, utilizadas em conjunto com dados sobre vegetação e topografia do local, podem prever o avanço do fogo. Existem ainda diversas aplicações de monitoramento do meio-ambiente, tais como o rastreamento de animais, de pequeno e grande porte, monitoramento das condições ambientais que afetam as colheitas, o plantio e a irrigação gerando o suporte para a agricultura de precisão, pesquisas meteorológicas ou geofísicas; detecção de inundação; mapeamento da bio-complexidade ambiental e estudo da poluição.

Energia é um recurso limitado neste de tipo de aplicação. Cada nó sensor possui uma fonte de energia limitada, em geral uma bateria. O processo de recarregar manualmente todas as baterias, em muitas aplicações, é praticamente inviável, uma vez que RSSFs podem

ser compostas por centenas de nós sensores e, além disso, estes podem estar em locais inacessíveis (ou ambientes isolados em laboratório). Dessa forma, em todos os projetos de RSSFs, tanto no dimensionamento do hardware quanto na escolha e elaboração dos protocolos de comunicação, é fundamental considerar o uso eficiente da energia. Em casos onde as dimensões dos módulos não são os aspectos prioritários do projeto, pode-se adicionar a esses módulos sistemas alternativos de energia como células foto-voltaicas ou aero- geradores de pequenos porte.

Os recursos de informatização e automação estão cada vez mais presentes nos campos agrícolas, entretanto, a implementação das redes de sensores sem fios é relativamente recente. Um sistema de controle de irrigação em tempo real foi implementado por Pierce et al. (2006). Neste trabalho as unidades remotas, desenvolvidas pelos mesmos, monitoravam e controlavam a irrigação e mostraram-se altamente flexíveis e capazes de integrar séries de redes de monitoramento sem fio na irrigação. Para Monteiro et al. (2008), a implementação das redes de sensores sem fio não foi tão rápida como se imaginaria pelo fato da necessidade de superar alguns fatores limitantes (tolerância, custo, hardware, topologia, manejo e disponibilidade), mesmo assim a rede de sensores pode ser facilmente instalada em um campo aberto.

Giacomin, Vasconcelos e Silva (2008) utilizaram redes de sensores sem fio para quantificar o conteúdo de água da vegetação em um campo cultivado por milho e, apesar da forte influência da vegetação na atenuação da comunicação do sinal, a forma de comunicação multi-hop demonstrou-se apropriada para a medida dos dados dentro de campos desta cultura. Em outro caso, Torre Neto e Rabello (2008) desenvolveram um sistema automatizado para controle de irrigação por gotejamento utilizando rede de sensores sem fio no monitoramento do teor de água. O mapeamento da umidade do solo foi obtido com dados espaço-temporais através das técnicas de SIG (Sistemas de Informações Geográficas). Neste sistema o usuário sabe onde, quando e quanto irrigar, de acordo com as regiões observadas pelas sequências dos mapas de umidade do solo adquiridas por imagens de satélite.

O trabalho de Fontes et al. (2004), apresentou a configuração de um sistema de supervisão e controle para casas de vegetação empregando um sistema de coleta de dados e controle através de uma rede de comunicação sem fios (wireless). Foram desenvolvidos, com microcontroladores de baixo consumo e alto desempenho, unidades de sensores, unidade coletora de dados e sensores de umidade do tipo capacitivo. A supervisão e controle foram implementados a partir de um programa tipo SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Os dados coletados pelo sistema foram utilizados para o treinamento de uma

rede neural artificial parte integrante do sensor de umidade. Através de interfaces desenvolvidas no software Slipse PRO, as variáveis de controle podiam ser alteradas na operação dos elementos atuadores no processo de irrigação e climatização do ambiente. O sistema obtido apresentou uma automação viável para casas de vegetação.

Cruz (2009) e Oliveira (2010) utilizaram uma rede de sensores sem fio, desenvolvida por Santos (2008), respectivamente no manejo da irrigação das culturas de milho e melancia, relataram a praticidade nos quesitos de instalação, rapidez na realização das leituras (em tempo real) e flexibilidade para alterações tais como: expansão, redução ou reposicionamento dos pontos de monitoramento, assim como a reconfiguração remota dos parâmetros de medida. Entretanto, as redes de sensores sem fio trazem ainda para a sua aplicação na agricultura, alguns desafios também comuns a outros segmentos. Dentre os desafios encontrados na aplicação dos sistemas wireless no campo, tanto no monitoramento quanto no controle, estão as limitações relativas ao consumo de suas baterias e a sustentabilidade de seus protocolos de comunicação. Esses fatores técnicos são explorados no desenvolvimento deste trabalho, onde fontes alternativas energia como a solar são empregadas estrategicamente para garantir a longevidade da rede no monitoramento e o funcionamento ininterrupto dos módulos atuadores como, por exemplo, no controle das válvulas solenóides.

O sensor capacitivo foi integrado aos módulos de comunicação sem fio (SANTOS, 2008) e passou a compor uma rede distribuída de sensores, sendo sua utilização testada por Cruz (2009) no manejo de um sistema com irrigação localizada. Em suas avaliações, foram obtidos dados de movimentação da água no solo, adquiridos por módulos remotos dotados de dois sensores capacitivos FDR, instalados em profundidades diferentes. As medidas dos referidos sensores eram tomadas em intervalos de tempo predeterminados e enviadas a um modulo mestre conectado a um computador. Os dados armazenados eram tratados em planilhas com as equações de calibração e correção e geravam como saída, a umidade do solo e o tempo de irrigação.

3.8.2. Rede de Atuadores sem Fio (RASF)

A instalação de um quadro de comando remoto, para controle das bombas também traz desafios a serem resolvidos tais como o acoplamento dos circuitos microcontrolados às chaves disjuntoras. A interface de operação é crítica, pois trata da alta potência de acionamento da bomba e o controle da pressão na tubulação. Neste ponto do projeto o desenvolvimento do algoritmo de controle deve utilizar dispositivos de segurança

que garantam o sincronismo adequado na operação da malha hidráulica. Os dispositivos de segurança são implementados tanto em hardware quanto em software e devem evitar erros, tais como: o funcionamento da bomba com todas as válvulas setoriais fechadas, desligamento da bomba durante o intervalo de irrigação de alguma das áreas sob controle, acionamento da bomba sem água, ou com baixa tensão na rede e o outros mais.

O controle das válvulas é realizado através de um módulo dotado de maior potência, com sua carga mantida através de células fotovoltaicas. Esta unidade, além do controle, deve monitorar a pressão de serviço na derivação da rede hidráulica, retornando esses dados para controles de compensação, em perda de carga ou como segurança contra estouro dos dutos.

O controle de vazão mais eficiente foi dimensionado através do uso de inversores de frequência, onde seu controle também é integrado à rede, através de interface sem fio, com a unidade central de supervisão do sistema.