A água nas proporções adequadas é imprescindível no cultivo de qualquer planta, e o seu manejo racional é decisivo tanto para o desenvolvimento sustentável, quanto para a saúde das plantas, evitando a falta ou excesso (PIMENTEL, 2004). Desta maneira, o conhecimento da distribuição do teor de água (umidade) no solo torna-se necessário, uma vez que está intimamente ligado às propriedades do sistema solo-água-planta, onde o domínio desse conhecimento é, certamente, um dos fatores indispensáveis para uma agricultura sustentável.
A umidade do solo possui elevado grau de variabilidade no espaço e no tempo, controlada por fatores como tempo, textura do solo, vegetação e topografia (SANTOS et al., 2011).
Diversos são os métodos para a determinação da umidade do solo, como reflectometria no domínio do tempo (TDR). A TDR tem sido amplamente usada nas últimas décadas (SOUZA, 2002), visando o monitoramento da umidade superficial do solo, permitindo descrição detalhada desta variável, ao longo do tempo. As medidas de TDR e do conteúdo de água no solo são baseadas na forte correlação observada entre a constante dielétrica do solo e seu conteúdo volumétrico de água (GRECO; GUIDA, 2008).
A TDR se baseia no efeito da quantidade de água sobre a velocidade de propagação de microondas em sondas; esse efeito acontece devido à diferença entre as constantes dielétricas da água, do ar, e dos materiais sólidos contidos no
solo. Com a determinação de uma constante dielétrica K resultante da combinação desses três materiais, pode-se estimar a quantidade de água contida no solo (CONCIANI et al., 1996).
No entanto, o uso do TDR tem sido limitado pelo custo, tanto do testador de cabo como da sonda, na qual existe ainda a limitação de uso em apenas uma profundidade, pois em geral as sondas são constituídas de hastes contínuas de aço inoxidável. Também, sua utilização não está difundida entre os usuários da técnica, devido à carência de informações descrevendo suas potencialidades e limitações, principalmente sobre a qualidade e a precisão de leituras versus configuração de sondas (PEREIRA et al., 2006).
Outro método utilizado para a medição da umidade do solo é a sonda de nêutrons. As utilidades e limitações das sondas de nêutrons foram bem documentadas por Gardner (1986). Estas possibilitam medidas não destrutivas com perturbações mínimas, porém a radioatividade exige precauções quanto à segurança e limita a utilização contínua. O uso da sonda de nêutrons exige um treinamento especial para seu manuseio, principalmente pela presença de fontes radioativas.
Cada método de medição de umidade do solo tem suas vantagens e desvantagens e, segundo Gilberto (2003), algumas características desejáveis para o sensor são: evitar a amostragem destrutiva, permitir repetibilidade, fácil calibração, custo acessível, segurança do operador, entre outras.
7.3 SISTEMAS EMBARCADOS
Os sistemas embarcados estão presentes em inúmeras funções e atividades do cotidiano humano. Com redução constante em custos operacionais e de material, a tendência é o aumento da sua presença no cotidiano das pessoas (CARRO; WAGNER, 2003). Segundo Jeferson Bosa (2009) um sistema embarcado “normalmente, é formado por microprocessador, memória e periféricos para executar determinada aplicação”.
Exemplos da presença de sistemas embarcados no cotidiano vão de eletrodomésticos, como um forno elétrico com controle de temperatura inteligente, até o sistema de controle de injeção eletrônica de automóveis (CARRO; WAGNER, 2003).
Um sistema embarcado é sempre composto pela combinação entre hardware e software com características específicas para o desempenho na solução proposta (BOSA, 2009). Do ponto de vista do hardware, um sistema embarcado possui alguns componentes básicos (CARRO; WAGNER, 2003):
● Microprocessador: Unidade de processamento, projetada para um ou mais usos específicos.
● Memórias: Unidades de armazenamento de software.
● Barramento de comunicação: Responsável pela comunicação através de sinais entre os componentes que compõem o sistema.
● Periféricos: Componentes externos que integram o sistema e desempenham funções específicas, por exemplo, conversor digital analógico, interfaces de comunicação, acionamentos de potência, etc.
Por outro lado, o software é gravado e armazenado no componente de memória do sistema. O software é compilado e está intrinsecamente ligado à arquitetura do microprocessador utilizado (CARRO; WAGNER, 2003):
Jeferson Bosa (2009) enuncia algumas características do software para sistemas embarcados, e que o diferencia dos softwares tradicionais:
● Baixa capacidade de armazenamento das memórias disponíveis.
● Desempenho limitado quando comparado a processadores tradicionais. ● Menor consumo de potência do que os processadores tradicionais.
7.4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
7.4.1 Modelo OSI
O modelo OSI (Open System Interconnection) é um modelo de rede de computador referência da ISO dividido em camadas de funções, criado em 1971 e
formalizado em 1983, com objetivo de ser um padrão, para protocolos de comunicação entre os mais diversos sistemas em uma rede local (Ethernet), garantindo a comunicação entre dois sistemas computacionais (end-to-end) (ZIMMERMANN, 1980).
Este modelo divide as redes de computadores em 7 camadas, de forma a se obter camadas de abstração. Cada protocolo implementa uma funcionalidade assinalada a uma determinada camada, onde cada camada é responsável por um grupo de tarefas, fornecendo um conjunto de serviços bem definidos para o protocolo da camada superior. As camadas mais altas, estão mais perto do usuário (como a camada de aplicação) e lidam com dados mais abstratos, confiando em protocolos de camadas mais baixas para tarefas de menor nível de abstração.
O Modelo OSI não é uma arquitetura de rede, pois não especifica os serviços e protocolos exatos que devem ser usados em cada camada. Ele apenas informa o que cada camada deve fazer. O Modelo OSI permite comunicação entre máquinas heterogêneas e define diretivas genéricas para a construção de redes de computadores (seja de curta, média ou longa distância) independente da tecnologia utilizada. (TANENBAUM, 2003)
7.4.2 TCP/IP
De acordo com Tanenbaum (2003), o chamado de pilha de protocolos TCP/IP é um modelo composto por apenas uma parte das camadas propostas no modelo OSI, possuindo apenas quatro camadas, são elas:
● Camada Física; ● Camada de Rede; ● Camada de Transporte; ● Camada de Aplicação;
A camada física, pode ser chamada também de camada de interface de rede ou camada de abstração de hardware é a primeira camada. Tem como função principal fazer o interfaceamento do modelo TCP/IP com os diversos tipos de redes (X.25, ATM, FDDI, Ethernet, Token Ring, Frame Relay, sistema de conexão ponto-a- ponto SLIP, etc.) e transmitir os datagramas pelo meio físico, sinais físicos, tem a
função de encontrar o caminho mais curto e confiável de uma máquina para outra (TANENBAUM, 2003). Como há uma grande variedade de tecnologias de rede, que utilizam diferentes velocidades, protocolos, meios de transmissão, etc., esta camada não é normatizada pelo modelo, o que provê uma das grandes virtudes do modelo TCP/IP: a possibilidade de interconexão e interoperação de redes heterogêneas(TANENBAUM, 2003).
A camada de Rede é responsável por controlar a operação da rede de um modo geral. Suas principais funções são o roteamento dos pacotes entre fonte e destino, mesmo que estes tenham que passar por diversos nós intermediários durante o percurso, o controle de congestionamento e a contabilização do número de pacotes ou bytes utilizados pelo usuário(TANENBAUM, 2003). Esta camada também realiza roteamento de funções, também pode realizar a fragmentação e remontagem e os erros de entrega de relatório. Roteadores operam nesta camada, enviando dados em toda a rede estendida e tornando a Internet possível (FOROUZAN, 2010).
Na camada de transporte, os protocolos contidos buscam resolver problemas como confiabilidade e integridade. Na suíte de protocolos TCP/IP os protocolos de transporte também determinam para qual aplicação um dado qualquer é destinado. O TCP, um dos protocolos mais utilizados na Internet, é um mecanismo de transporte confiável, orientado à conexão e que fornece um stream de bytes confiável, garantindo assim que os dados cheguem íntegros, não danificados e em ordem (FOROUZAN, 2010). O TCP tenta continuamente medir o quão carregada a rede está e desacelera sua taxa de envio para evitar sobrecarga. Além disso, o TCP tentará entregar todos os dados corretamente na sequência especificada. Essas são as principais diferenças dele para com o UDP, e pode se tornar desvantajoso em streaming, em tempo real ou aplicações de routing com altas taxas de perda na camada internet.
A camada de aplicação é a camada que a maioria dos programas de rede usa de forma a se comunicar através de uma rede com outros programas. Processos que rodam nessa camada são específicos de uma aplicação, o dado é passado do programa de rede, no formato usado internamente por essa aplicação, e é codificado dentro do padrão de um protocolo(TANENBAUM, 2003). Uma vez que o dado de uma aplicação foi codificado dentro de um padrão de um protocolo da camada de aplicação ele será passado para a próxima camada da pilha. Entre os
protocolos mais utilizados nesta camada temos o HTTP (navegação na World Wide Web), FTP (transporte de arquivos), SMTP (envio de e-mail), SSH (login remoto)(FOROUZAN, 2010).
7.4.3 MQTT
Segundo Ismael Martins (2016) o “MQTT foi criado em meados de 1999 por Andy Stanford-Clark (IBM) e Arlen Nipper (Eurotech). Trata-se de um protocolo de mensagens baseado na arquitetura publish/subscribe, voltado para dispositivos restritos e redes inseguras, com baixa largura de banda e alta latência” e “os princípios do design são minimizar os requerimentos de recursos de dispositivo e de largura de banda tentando garantir confiabilidade e garantia de entrega” (MARTINS, 2016).
MQTT é um protocolo de camada de aplicação que por possuir confiabilidade e baixo consumo como requisitos de sua implementação, o faz um grande candidato a ser aplicado em redes de internet das coisas. Uma das grandes vantagens do MQTT é a eficiência energética do modelo “publish/subscribe” para troca de mensagens, que também escala muito bem (MARTINS, 2016).
A arquitetura do protocolo segue o modelo cliente/servidor, onde cada sensor é um cliente que se conecta a um servidor, conhecido como broker. Por ser orientado a mensagens cada mensagem é um pacote discreto de dados, opaco ao broker. Toda mensagem é publicada em um endereço, chamado tópico. Cliente podem se subscrever em vários tópicos. Cada cliente subscrito a um tópico recebe todas mensagens publicadas neste tópico (JAFFEY, 2014).
7.5 FABRICAÇÃO DIGITAL
A fabricação digital, apontada pelo movimento MAKER como a nova revolução industrial (NASSIF, 2016), é dada através de confecção de componentes através de modelos 3D digitais.
Segundo Gibson, Rosen e Stucker(2014) o desenvolvimento de um modelo 3D é dado através de um software CAD (Desenho Auxiliado por Computador), equipamentos especiais como scaners 3D também podem ser utilizados. Para Narayan, Rao e Sarcar(2008) os softwares CAD têm auxiliado a engenharia, permitindo criar modelamentos matemáticos em 3D simulando suas formas e montagens ainda na fase de desenvolvimento, permitindo aprovações de design com facilidade, evitando desperdícios de tempo e recursos com fabricação. Segundo NITSCHE(2002) o que torna a ferramenta CAD tão atrativa e eficiente é o fato de permitir comunicação com diversos tipos de software como Gerenciamento de Dados do Projeto, Project Data Management (PDM) e Gerenciamento de Vida do Produto, Product Lifecycle Management (PLM),para aprovação em tempo real e acompanhamento do processo de desenvolvimento do produto, Engenharia Auxiliada por Computador,Compute Aided Engineering (CAE), para simulações de seus comportamento e Manufatura Auxiliada por Computador, Computer Aided Manufacturing (CAM), para interagir com o processo de fabricação, o que configura Fabricação Digital.
Os processos de fabricação que se utilizam de softwares CAM para produzir peças a partir de um modelo digital são divididos em 2 grupos sendo remoção de material e adição de material (CANCIGLIERIJUNIOR, O., SELHORST JUNIOR, A. e SANT'ANNA, 2015).
Entre os processos que trabalham com remoção de material, os mais comuns são os de Corte CNC (Comando Numérico Computadorizado) e Usinagem CNC (ALTINTAS, 2012). Dentre os processos de corte se resumem à fabricação em 2D e os processos usuais são Corte a jato d'água, Oxicorte e Corte à Laser. Por outro lado, na usinagem CNC consegue-se modelos em 3D com alto grau de refinamento e detalhes, dependendo do refinamento e da quantidade de eixos adicionais existentes nos equipamentos, onde pode ser centro de fresamento CNC com 3,4,5 ou mais eixos e centro de torneamentos CNC com ferramentas acionadas ou não (VOLPATO, 2014).
No outro lado, existem os processos de adição de material que consiste em "depositar material em camadas, cada camada sendo uma fina secção de uma peça derivada de um modelo CAD" (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2014), os processos mais comuns são modelamento por deposição de material, ou Fused Deposition Modeling(FDM) no inglês, e o mais refinado estereolitografia. No FDM o material é
fundido através de uma resistência elétrica e é depositado em uma mesa móvel controlada por um comando numérico XYZ através de um software CAM, que cria os modelos camada à camada já na forma desejada (CLIEVER, 2017). Na estereolitografia, um fotopolímero é modelado através de um laser ultravioleta, conferindo um melhor acabamento ao componente fabricado (3D Systems).
A primeira impressora 3D teve origem na Califórnia, grande polo de desenvolvimento tecnológico, pelas mãos de Chuck Hull em 1984 (LIPSON; KURMAN, 2013). Desde então a impressão 3D tem ganhado espaço em todo o mundo pela facilidade de desenvolver soluções práticas desde problemas simples a complexos encontrados no dia a dia, devido ao seu conceito de confecção livre. Em sua maioria, seu funcionamento é através de um sistema CNC de coordenadas XYZ onde é acoplado um sistema de fusão de filamentos de polímero (geralmente PLA ou ABS) que vai depositando a matéria prima fundida em camadas para formar o objeto desejado. Devido a sua simplicidade a solução vem sendo barateada em razão de diversas soluções simples e um menor refinamento dos equipamentos, mas não diminuindo sua precisão (NETO, 2016).