MARCELO MAREGA PINHEL GUSTAVO PAINI BEZERRA
SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE
À AGRICULTURA URBANA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2018
MARCELO MAREGA PINHEL GUSTAVO PAINI BEZERRA
SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE À
AGRICULTURA URBANA
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, dos Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo.
Orientador: Prof. Sidney Carlos Gasoto
CURITIBA 2018
TERMO DE APROVAÇÃO
MARCELO MAREGA PINHEL
SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE À
AGRICULTURA URBANA
Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 06 de abril de 2018, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________ Prof. Dr. Milton Luiz Polli
Coordenador de Curso
Departamento Acadêmico de Mecânica
______________________________ Prof. M.Sc. Sérgio Moribe
Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Celso Salamon Prof. Dr. João Antônio Palma Setti
UTFPR UTFPR
Prof. Dr. Simone Crocetti Prof. Me. Sidney Carlos Gasoto
UTFPR Orientador - UTFPR
TERMO DE APROVAÇÃO
GUSTAVO PAINI BEZERRA
SISTEMA DE TELEMETRIA E TELECOMANDO PARA SUPORTE À
AGRICULTURA URBANA
Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 06 de abril de 2018, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________ Prof. Dr. Milton Luiz Polli
Coordenador de Curso
Departamento Acadêmico de Mecânica
______________________________ Prof. M.Sc. Sérgio Moribe
Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Celso Salamon Prof. Dr. João Antônio Palma Setti
UTFPR UTFPR
Prof. Dr. Simone Crocetti Prof. Me. Sidney Carlos Gasoto
UTFPR Orientador - UTFPR
Ofereço este trabalho à humanidade. Que os estudos aqui realizados possam contribuir na união da tecnologia como alicerce para o desenvolvimento humano sustentável.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos os meus professores com ênfase para:
- Prof. Dr. Gilson Y. Sato, por despertar em mim a paixão por sistemas embarcados;
- Prof. Dr. Luis Paulo Laus, pela rigidez;
- Prof. Dr. Anderson Levati Amoroso. O melhor professor que já tive na vida, definitivamente comprometido com a excelência do ensino.
- Prof. Dr. Celso Salamon, visionário;
- Prof.M.e, Sidney Carlos Gasoto, pela orientação e amizade.
Agradeço à Universidade Tecnológica Federal do Paraná por abrigar um jovem em sua trajetória ao profissionalismo.
Agradeço aos meus colegas de sala: Raul “marujo”, Luís Guilherme “moita”, Paulo Garcia “Campo Largo”, Thiago Grola e Carlos Charnei.
Agradeço a Favo Tecnologia “wonderfull team”, por realizar todos os meus sonhos.
Pai, mãe, vô e vó, agradeço a vocês pela fé inabalável depositada em mim todos esses anos.
Por último e mais importante, meus sinceros agradecimentos à Raissa Yamasaki Rodrigues, companheira, parceira, amiga e sócia. A mulher da minha vida e dos meus sonhos.
Agradeço aos meus mestres por doarem seu tempo, dedicação e paciência, pelo aprendizado incalculável que obtive na vida acadêmica.
Agradeço ao meu pai, mãe e irmão, pelo apoio incondicional e por nunca desistirem de mim.
Agradeço também a Larissa Madelyn Geraldo, meu amor, pelo suporte e compreensão nesta caminhada, pela ajuda, companheirismo e comprometimento.
E agradeço principalmente o Senhor Marcelo Marega Pinhel pelo convite a participar deste projeto maravilhoso, pela confiança e pela grande parceria em tantos outros projetos importantes.
“Se tirar sem pôr, acaba”.
RESUMO
PINHEL, Marcelo; BEZERRA, Gustavo. Sistema de telemetria e telecomando para
suporte à agricultura urbana. 2018. 98 folhas. Trabalho de conclusão de curso
(Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura, visando reaproximar as pessoas dos grandes centros urbanos do cultivo de alimentos. Retirando os obstáculos que as afastam devido ao estilo de vida das grandes cidades, sendo o principal a falta de tempo, além de eliminar o compromisso da manutenção das condições de cultivo, empregando tecnologias de controle desenvolvidas para a aquisição de dados, julgamento e atuação para garantir o ideal desenvolvimento do vegetal. Para tal, lança-se mão de tecnologias já solidificadas para a aquisição de dados de temperatura e luminosidade, tecnologias em grande expansão que prometem revolucionar a indústria com a fabricação in loco, a fabricação digital, e desenvolvem-se tecnologias próprias para a aquisição de dados de umidade para garantir o melhor funcionamento e eficácia dos dados adquiridos e utilizados para o controle das condições. O processo de desenvolvimento de cada um nos sistemas assim como a integração dos mesmos foi retratado e explorado. Foi construído um protótipo, que foi submetido a uma série de testes, para comprovação da resistência às intempéries do meio e onde foram coletados dados, validados através de métodos de controle estatístico para a comprovação de sua eficácia. O sistema desenvolvido nesse estudo evidenciou estabilidade satisfatória na comunicação sem fio, permitindo análise dos dados obtidos pelos sensores e telecomando para controle de irrigação. O dispositivo instalado no local de cultivo se mostrou robusto à chuva e umidade permanecendo no local durante o período de cultivo.
ABSTRACT
PINHEL, Marcelo; BEZERRA, Gustavo. Telemetry and control remote system to
urban agriculture support. 2018. 98 folhas. Trabalho de conclusão de curso (Curso
Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.
This work introduces a development of a Telemetry and remote control system to support urban agriculture, seeking the rapprochement of people in great urban centers and the food cultivation. Removing obstacles which take people away because of their lifestyle, being the main reason, the lack of time, besides eliminating the commitment to the maintenance of the conditions of cultivation, using developed control technologies for the data acquisition, judgment and acting to ensure the ideal vegetable development. For this, we use solidified technologies for data acquisition of temperature and luminosity, great expansion technologies that promises an industry revolution with an in loco manufacturing, digital manufacturing, and develop new own technologies for humidity data acquisition for conditions control. The development process of each system as his integration was portrayed and explored. A prototype was built and was subjected to a series of test, to prove it's weather resistance and data collected, validated through statistical control methods to prove it's efficacy. The system developed in this study evidenced satisfied stability on wireless communication, allowing data analysis got with the sensors and irrigation remote control. The device installed on the place of cultivation presented to be robust to resist rain and humidity staying in the field for the whole cultivation period.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Projeto mecânico da primeira versão do equipamento…………....… 26
Figura 2 - Esquema do sensor de temperatura MCP0700/9701……….….….... 27
Figura 3 - Primeira versão do equipamento sendo testada em campo…... 27
Figura 4 - Ilustração da atração de íons para a sonda do sensor de umidade... 28
Figura 5 - Sensor LDR - (a) simbologia e (b) constituição………... 34
Figura 6 - Modelo tampa de bomba de óleo em software CAD………. 42
Figura 7 - Modelo com linhas de impressão gerados por software CAM…….... 43
Figura 8 - Funcionamento básico de uma impressora 3D FDM……… 43
Figura 9 - Produto final impresso……….... 44
Figura 10 - Área de cultivo para testes, em construção……….... 45
Figura 11 - Dimensões da área de cultivo………... 46
Figura 12 - Disposição dos componentes de drenagem da área de cultivo…….. 46
Figura 13 - Área de cultivo finalizada………... 47
Figura 14 - Irrigação por mangueiras de gotejamento……….. 48
Figura 15 - Mangueira de irrigação por gotejamento………….……….. 48
Figura 16 - Conjunto Modelado em Software CAD SolidWorks®………... 49
Figura 17 - Impressora 3D utilizada para fabricação, modelo Graber i3 modificada……… 51
Figura 18 - Modelo matemático da tampa já posicionado na posição ideal de impressão………..………... 52
Figura 19 - Representação do conjunto montado. Tampa, corpo e O’ring…….... 52
Figura 20 - Modelo matemático Condutor do Sensor de umidade/ condutor do sensor de umidade fabricado……… 53
Figura 21 - Alimentação dos circuitos analógicos……….. 55
Figura 22 - Alimentação dos circuitos analógicos………... 56
Figura 23 - Alimentação dos circuitos digitais………. 57
Figura 24 - Esquemático parcial da placa Core board……….. 57
Figura 25 - Módulo ADS1115……… 58
Figura 26 - Placas do protótipo finalizadas………. 58
Figura 28 - Testes para sensor de umidade em corpos de prova
padrão………... 60
Figura 29 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 5%... 66
Figura 30 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 10%... 67
Figura 31 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 20%... 68
Figura 32 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 30%... 69
Figura 33 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 40%... 70
Figura 34 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 50%... 71
Figura 35 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 60%... 72
Figura 36 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 70%... 73
Figura 37 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 80%... 74
Figura 38 - Capabilidade do sensor submetido à terra com umidade de 90%... 75
Figura 39 - Gráficos da adequação dos modelos pela função de powerlaw pelos dados experimentais……….. 76
Figura 40 - Processo de sincronia do dispositivo com a rede local………. 79
Figura 41 - Tópicos de inscrição do dispositivo……….. 83
Figura 42 - Tópicos de publicação do dispositivo……….. 84
Figura 43 - Plantas cultivadas com auxílio do sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura urbana ………... 85
Figura 44 - Alface-crespa (Lactuca sativa var. crispa) cultivada no ambiente de teste deste estudo ………... 85
Figura 45 - Variedade de alimentos produzida em âmbito urbano com auxílio do sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura urbana... 86
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Verificação da parcela de cultivadores urbanos, pesquisa feita no google forms……….... 21 Gráfico 2 – Verificação das principais limitações para que o cultivo urbano,
pesquisa feita no google forms………...21 Gráfico 3 – Resposta de crescimento do brócolis e milho em diferentes
temperaturas na fase vegetativa………... 32 Gráfico 4 – Resistência versus luminosidade. ………... 32 Gráfico 5 – Resposta espectral do resistor dependente de luz………... 33
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Tabela de dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo (dia 1 - 1)... 61 Tabela 2 – Tabela de dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo
(dia 1 - 2)... 62 Tabela 3 – Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo
(dia 2 - 1)... 62 Tabela 4 – Tabela dos dados recolhidos nos testes do sensor de umidade de solo
(dia 2 - 2)... 63 Tabela 5 – Valores medidos para a geração do CEP………... 65 Tabela 6 – Coeficientes obtidos através do software R para o modelo do sensor de
LISTA DE ACRÔNIMOS
ADC Analog/Digital Converter CAD Computer Aided Design CAE Computer Aided Engineering CAM Computer Aided Manufacturing CdS Cadmium sulfide
CNC Computer Numerical Control
ESCP Expressive Systems Smart Connectivity Platform FDM Flused Deposition Material
FAO Foodand Agriculture Organization GPIO General Purpose Input/Output I²C Inter-Integrated Circuit
ISO International Organization for Standardization LDR Light Dependent Resistor
MQTT Message Queue Telemetry Transport OSI Open System Interconnection
PDM Project Data Management PLM Product Lifecycle Management STL Standard Triangle Language
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TDR Time-domain reflectometer
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO... 17 2 DELIMITAÇÃODOESTUDO... 19 3 PROBLEMA... 20 4 OBJETIVOS... 23 4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 23 5 JUSTIFICATIVA... 24 6 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO... 25 7 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 29 7.1 AGRICULTURA URBANA……….……… 29 7.2 OS SENSORES………... 317.2.1 Sensores de temperatura e luminosidade………... 31
7.2.2 Sensor de umidade………... 34 7.3 SISTEMAS EMBARCADOS………...…….………... 35 7.4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO………....………... 36 7.4.1 Modelo OSI………... 36 7.4.2 TCP/IP………... 37 7.4.3 MQTT………...……... 39 7.5 FABRICAÇÃO DIGITAL………... 39
7.5.1 Modelagem em software CAD………... 41
7.5.2 Software CAM………... 42
8 METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO... 44
8.1 ÁREA DE CULTIVO PARA TESTES………... 44
8.2 PROJETO MECÂNICO………... 49
8.2.1 Corpo principal………... 50
8.2.2 Condutores do sensor de umidade………...53
8.3 PROJETO ELETRÔNICO………... 54
8.3.1 Esquema eletrônico………... 54
8.3.2 Power board………... 54
8.3.3 Core Board………... 57
8.3.4 Testes de viabilidade da utilização do sensor de umidade…………...59
8.3.5 Confiabilidade do sensor………... 63
8.4 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE DO MICROCONTROLADOR….. 77
8.4.1 Sincronia do dispositivo com a rede local………... 78
8.4.2 Operação do dispositivo………... 80
8.4.2.1 Controle da irrigação……… 81
8.4.2.2 Publicação e subscrição via mqtt……… 82
9 RESULTADOS... 84
10 CONSIDERAÇÕES FINAIS... 85
REFERÊNCIAS... 89
ANEXOS... 94
ANEXO A - OVERVIEW DATASHEET ESP8266EX... 94
ANEXO B - FEATURES, APPLICATIONS AND DESCRIPTION DATASHEET ADS111x... 95
APÊNDICES... 96
1
INTRODUÇÃO
A prática da agricultura pelo homem tem uma associação intrínseca ao desenvolvimento da humanidade. Técnicas milenares são passadas por gerações e praticadas até hoje nos campos de cultivo, provendo alimentação básica para as populações. Apesar das técnicas atuais em agricultura permitirem que haja aglomerados urbanos de alta densidade — como as grandes conurbações — essa prática fica, em sua maioria, restrita a áreas rurais, e não é conhecida e/ou praticada pela maior parte da população, que se encontra nas cidades.
Com o crescimento acelerado das cidades, criou-se a necessidade de desenvolver novas técnicas de cultivo, armazenamento e transporte de alimentos, já que essa produção está longe dos lugares onde há a demanda. Dessa crescente urbanização, além do fornecimento de alimentos, resultam outros problemas como a preservação ambiental e a oferta de empregos. A falta de alimentos para a população é uma preocupação crescente. Esforços são dedicados diariamente para otimizar a oferta de alimentos de forma sustentável, saudável e escalável (MACHADO e MACHADO, 2002).
Segundo Assis Aquino (2007), muitos problemas são evidenciados devido a urbanização não planejada; e com a crescente urbanização e o aumento populacional nas cidades, problemas como o fornecimento de alimentos, preservação ambiental e oferta de empregos só irão aumentar.
Normalmente não é feito nenhuma associação entre a agricultura e o meio urbano, já que esta sempre foi praticada em meio rural. Entretanto, a chamada agricultura urbana é uma atividade praticada pela população, mesmo que pouco expressiva. Essa atividade tem despertado um elevado e crescente interesse, tanto dos urbanistas, quanto dos pesquisadores e responsáveis por elaboração de políticas, na medida em que, onde se estabeleceu com eficiência, desempenhou um papel muito importante na alimentação das populações urbanas, garantindo a sua sobrevivência (FAO, 1999).
“A prática da agricultura urbana compreende o exercício de diversas atividades relacionadas à produção de alimentos e conservação dos recursos naturais dentro dos centros urbanos ou em suas respectivas periferias, surge como estratégia efetiva de fornecimento de alimentos, de geração de empregos, além de contribuir para a segurança alimentar e melhoria da nutrição dos habitantes das cidades.” (Machado; Machado, 2002)
O desenvolvimento de novas técnicas para agricultura urbana viabiliza o cultivo em locais não favoráveis e a adaptação para incluir essa tarefa na vida dos residentes das cidades, provendo alimentos para a população e contribuindo para o desenvolvimento sustentável de um centro urbano.
Produzir alimentos utilizando-se de espaços improdutivos como o terraço de um edifício ou o telhado de uma casa, coletando a água da chuva, aproveitar os resultados do modo de vida dos grandes centros urbanos como dióxido de carbono e o calor. Ao cultivar alimentos em centros urbanos, atua-se diretamente na diminuição do impacto ambiental causado pelas intervenções da humanidade.
A rotina de um agricultor que pratica suas atividades no campo, bem como o acesso a informações e técnicas de cultivo muito se difere da rotina habitual de quem vive nos meios urbanos. Com uma metodologia de produção e distribuição de alimentos bem definida, porém insatisfatória, já que o transporte é responsável pela maior parte dos custos logísticos, e chega a representar, em média, 60% destes (FLEURY; WANKE; FIGUEIREDO, 2000).
Os centros urbanos por sua vez, nos possibilitam acesso a informações e cruzamento de dados de maneira global. Este estudo propõe uma solução envolvendo um sistema de telemetria e telecomando para suporte à agricultura urbana, com foco em solucionar dois problemas: reduzir o tempo necessário para manutenção da área de cultivo e facilitar o acesso do agricultor às informações relacionadas ao cultivo.
O trabalho encontra-se estruturado da seguinte maneira:
1 -Introdução: O tema é apresentado. É introduzido o problema, a justificativa e a estrutura do trabalho.
2 - Delimitação do estudo: É apresentado o objetivo do estudo, as premissas e os objetivos do mesmo.
3 - Problema: Será dissecado o problema apontando quais fatores devem ser abordados e focos do estudo.
4 - Objetivos: São definidos os objetivos da pesquisa e definido os pontos estratégicos para o desenvolvimento do equipamento.
5 - Justificativa: São levantadas todas as dificuldades que envolve o tema, agricultura urbana, e definidos os principais, que serão o ponto de partida para o desenvolvimento do projeto.
6 - Procedimentos Metodológicos: Aborda-se a estrutura do desenvolvimento do trabalho, o ponto de partida para cada função/especificação.
7 - Fundamentação Teórica: Serão fundamentados todos os procedimentos e ferramentas utilizadas no desenvolvimento do equipamento.
8 - Desenvolvimento do Projeto: É descrito o procedimento de desenvolvimento, testes e validação de cada funcionalidade do equipamento, bem como a sua estrutura.
9 - Conclusão: São feitas as considerações finais, apresentado o resultado, e as possíveis melhorias para um estudo futuro.
2
DELIMITAÇÃO DO ESTUDO
Este estudo tem como objetivo a confecção do protótipo de um produto destinado a dar suporte aos agricultores urbanos, colhendo em tempo real alguns dos dados vitais para o desenvolvimento do plantio, arquivando histórico destes dados em nuvem para permitir o planejamento e a manutenção adequada. O constante desenvolvimento de técnicas oriundas da agricultura urbana se estende conforme a necessidade aumenta, e este estudo apresenta uma possibilidade de ferramenta de suporte; dentre outras; presente nos dias atuais. Para o desenvolvimento do protótipo, técnicas de manufatura foram consideradas visando a reprodução do equipamento em escala global através do compartilhamento dos arquivos de projeto em formato digital. Para confecção do equipamento em escala comercial ou industrial, modificações são necessárias. Para a continuação deste estudo, uma interface gráfica com estudos apropriados de usabilidade foi desenvolvida, porém este estudo não contempla seu desenvolvimento.
O dispositivo/protótipo deve ser conectado à internet para algumas configurações como por exemplo, frequência de irrigação e respectivo volume de água, etc. Um aplicativo Android foi desenvolvido para esta aplicação, porém este estudo não contempla o seu desenvolvimento.
3
PROBLEMA
Segundo a Foodand Agriculture Organization (FAO) (1999), que é uma agência da ONU para alimentação e agricultura, a agricultura local, orgânica, e em pequena escala é uma solução para a erradicação da fome no mundo. A tecnologia voltada ao cultivo de alimentos, mesmo com todo o investimento em pesquisa e métodos de automação agrícola, acaba beneficiando apenas grandes produtores com capital suficiente para tal investimento. Além disso, o pequeno contingente de consultoria aliado com a escassez de trabalhadores treinados em agricultura de precisão,são problemas comumente encontrados. (RESENDE et al., 2010).
Os autores deste trabalho realizaram uma pesquisa online com uma amostra total de 177 indivíduos para identificar quais eram os fatores classificados pelos simpatizantes do cultivo urbano como impeditivos ou limitantes. A pesquisa em questão foi realizada com estruturas condicionais. Isto significa que dependendo da resposta do indivíduo, ele era conduzido a uma pergunta específica, por exemplo, aqueles que responderam que não são praticantes de cultivo urbano eram conduzidos a perguntas para classificar a intenção de se iniciar no cultivo, e em seguida, quais eram os fatores que ele identificava como impeditivo para o início da prática. Como este trabalho foca no desenvolvimento de uma ferramenta para suporte à agricultura urbana, os dados apresentados focam nos praticantes do cultivo. Dada a natureza da pesquisa explicada neste parágrafo, o leitor pode encontrar um número diferente de amostras em cada relatório.
Nossa pesquisa revelou que em uma amostra de 106 indivíduos, 22,6% dos entrevistados categorizam a falta de tempo como fator impeditivo para o cultivo, e 14,2% declararam a falta do conhecimento básico necessário para a prática, conforme evidenciado nos gráficos 1 e 2.
Gráfico 1 – Verificação da parcela de cultivadores urbanos, pesquisa feita no google forms. Fonte: Autoria Própria (2017).
Gráfico 2 – Verificação das principais limitações para que o cultivo urbano, pesquisa feita no google forms.
Fonte: Autoria própria (2017).
É notável também, como principal limitador para a prática da agricultura urbana, a falta de espaço a ser destinado para o cultivo.
Com as deficiências citadas na agricultura no campo, no âmbito urbano, essa diferença consegue se tornar ainda mais discrepante. Trazer as técnicas de cultivo do campo para os centros urbanos, torna-se muitas vezes impraticável. O clima, acesso a insumos e técnicas, ferramentas especializadas e a rotina do cidadão urbano caracterizam alguns desses problemas.
Em centros urbanos, nos modelos atuais e com as devidas relações de trabalho, o tempo é facilmente caracterizado como um grande limitante para que novas atividades, tal como o cultivo de alimentos, sejam incorporadas na rotina da população nas cidades. Soma-se a esse limitante a falta de experiência e conhecimento das técnicas empregadas.
Devido ao êxodo rural no Brasil, podemos inferir que o cultivo de alimentos em âmbito domiciliar perdeu adeptos. Analisando dados da nossa pesquisa, evidenciamos que a falta de espaço de cultivo, comum em ambiente de grandes cidades, caracterizou-se como limitante para um grande percentual de adeptos. A prática hoje incentivada, se resume a obtenção de alimentos pela disponibilidade dos mercados locais, onde as informações do cultivo daquele alimento, como o uso de agrotóxicos nocivos à saúde, são comumente omitidas. Cultivar alimentos localmente possibilita acesso a alimentos diferentes dos oferecidos pelos modelos majoritariamente praticados, bem como disponibiliza ao cultivador/consumidor a escolha de técnicas de plantio que estejam de acordo com suas expectativas.
Sendo a agricultura uma ciência com muitas variáveis, tais como a temperatura ambiente, tipo de solo, umidade relativa do ar, que mudam de região para região, torna-se muito difícil para pessoas que nunca tiveram contato com a prática, ou auxílio de um amigo ou familiar, porém essas variáveis podem ser medidas por sensores, ou até mesmo inferidas pela posição geográfica, por um baixo custo.
Um sistema de telemetria capaz de medir a umidade do solo (e intervir quando necessário), temperatura ambiente, incidência de luz e se localizar geograficamente, facilita a produção de alimentos por qualquer pessoa que tenha acesso fácil à internet, energia elétrica e água, ou seja, pessoas residentes nas cidades, pois para as outras grandezas também influentes na prática da agricultura, tais como ph, tipo e nutrientes disponíveis no solo, drenagem do local e pragas, é possível inferir com a ajuda do usuário. O usuário poderia utilizar sua percepção, cruzando referências com material didático para informar ao sistema e aos outros usuários informações sobre o andamento do seu cultivo. Informações como: presença de pragas; tonalidade das folhas; tempo de desenvolvimento das plantas; uso medicinal ou culinário, e técnicas de cultivo. Para isso, faz-se necessário a catalogação das mudanças nas variáveis que estão aptas a medições através dos
sensores disponíveis no equipamento, de acordo com o ambiente em que ele se encontra, tendo uma base de dados comum para todos os usuários.
Partindo das condições básicas para o cultivo, plantas necessitam de água e luz nas devidas proporções, clima propício, dióxido de carbono e um solo fértil. Um sistema de telemetria simples voltado a agricultura permite a obtenção dos valores de luz, água e temperatura ambiente de cada espécie de planta está sendo cultivada, sem a necessidade da intervenção do cultivador, poupando este da rotina diária de irrigação.
4
OBJETIVOS
Desenvolver um sistema de telemetria de baixo custo voltado a agricultura urbana com controle em malha fechada de fornecimento de água, medindo temperatura ambiente, umidade do solo e incidência de luz, armazenando os dados em um servidor remoto permitindo processamento em nuvem e acesso global aos dados de cultivo.
4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
● Desenvolver sensor resistivo de umidade gravimétrica do solo;
● Projeto dos circuitos eletrônicos responsáveis pelo ajuste de tensão aos padrões necessários para os circuitos digitais e analógicos;
● Projeto do circuito eletrônicos responsável pelo controle do funcionamento da válvula de controle de fluxo;
● Projetar e fabricar encapsulamento dos circuitos e sensores visando a fabricação por manufatura aditiva, comumente conhecida como impressora 3D, em máquinas de baixo custo;
● Desenvolver firmware do microcontrolador;
● Desenvolver sistema de obtenção de dados com comunicação sem fio TCP/IP via protocolo MQTT;
5
JUSTIFICATIVA
Técnicas de cultivo e manejo de alimentos acompanham o desenvolvimento da humanidade desde tempos remotos. Em cada espaço, no seu devido tempo, técnicas foram criadas e/ou aprimoradas para atender a demanda que aquela condição específica requisitava. A justificativa para o desenvolvimento de técnicas relacionadas ao cultivo de alimentos tem suas inúmeras vertentes. A agricultura de precisão por exemplo, sustentada pelo agronegócio monocultor, tem como base maior produtividade e consumo assertivo de insumos. A permacultura e agrofloresta, na contramão ao agronegócio, visa restabelecer o equilíbrio natural dos biomas envolvidos em cada local de cultivo, para isso, as fases da lua são muito utilizadas para determinar épocas de plantio e colheita. Já no quesito agricultura urbana, o desenvolvimento tende a estar relacionado à redução da distância entre a produção e o consumidor final, bem como a prática relacionada a lazer e recreação dos praticantes.
Ainda sobre a agricultura urbana, Machado e Machado (2002) ressaltam que ela surge como uma ferramenta para o fornecimento de alimentos, geração de empregos e contribuição para a segurança alimentar dos moradores das cidades, englobando diversas atividades relacionadas à produção de alimentos, e conservação de recursos naturais.
De acordo com a pesquisa online feita pelos autores em formato de formulário, disponível no APÊNDICE A, com 133 cultivadores urbanos, os problemas mais relatados estavam relacionados a falta de conhecimento sobre as práticas necessárias, tempo e espaço para cultivo. Dentro da problemática de informação, notou-se em maior recorrência:
• Falta de conhecimento sobre a quantidade exata de água que cada cultivo necessita para se desenvolver idealmente;
• Falta de conhecimento sobre a sazonalidade das plantas, implicando no plantio fora do requisitado pela espécie;
• Como combater pragas e doenças;
• Falta de informação sobre o preparo do solo e condições de fertilização;
• Quantidade mínima de luz direta que cada planta necessita para se desenvolver.
Dentro da problemática de tempo, notou-se maior recorrência em:
• A falta dos cuidados relacionados a irrigação quando o praticante se ausenta do local de cultivo por tempo maior que um dia.
• A diferença nos perfis de irrigação decorrente das mudanças climáticas, sendo que em ambientes com baixa umidade relativa do ar, faz-se necessário regas periódicas durante o dia.
Este estudo tem por finalidade, auxiliar a população na aquisição de dados sobre o cultivo urbano, adequar as técnicas para o modo de vida comumente praticado nas cidades viabilizando o cultivo para aqueles que vivenciam dos problemas já citados.
6
DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
A primeira etapa do processo, já desenvolvida para a validação dos conceitos e realização de testes, consistiu no projeto e construção da primeira versão do equipamento, incluso projeto eletroeletrônico, projeto mecânico, firmware básico do microcontrolador e a fabricação dos componentes não obtidos comercialmente, que são: sensor de umidade, confecção de placa de circuito impresso e encapsulamento impermeável à chuva.
Nesta primeira versão foi separado o tratamento do sinal de alimentação em dois blocos, um com um regulador tipo buck e outro com um regulador linear, por razão e adequação do sinal para os sensores, que são sensíveis a ruído, e para conseguir fornecer a corrente necessária para todos os periféricos. Alguns
problemas foram identificados, como por exemplo, erro na leitura do sensor de umidade devido ao acúmulo de cargas em seus eletrodos.
Figura 1: Projeto mecânico da primeira versão do equipamento. Fonte: Autoria própria (2017).
O projeto dos circuitos eletroeletrônicos consiste em um sistema embarcado, contendo adequação da tensão de alimentação, microcontrolador modelo ESP82661fabricado pela Espressif, conversor analógico digital ADS 11152, em rede I²C topologia mestre-escravo.
O firmware básico do microcontrolador é responsável pelo processamento dos sinais obtidos dos sensores, bem como controlar a atuação da válvula de controle de fluxo de água e disponibilizar os dados para o usuário.
As placas de circuito impresso foram confeccionadas pelos autores utilizando tintas fotossensíveis e métodos de corrosão. Esse processo foi escolhido
1
Anexo A 2
devido a confiabilidade e precisão do produto final aliado ao baixo custo de fabricação.
Para a medição de temperatura foi escolhido um circuito integrado comercial, o MCP9701A da Microchip, que é um sensor baseado em termistores, e converte temperatura em tensão analógica. Esse sensor é um circuito integrado de baixo custo, e baixo consumo de corrente com uma precisão de 1ºC em temperaturas entre 0°C e +70°C (MICROCHIP, 2016). O sensor pode ser visto na figura 2.
Figura 2: Esquema do sensor de temperatura MCP0700/9701. Fonte: MICROCHIP (2016)
O projeto mecânico do encapsulamento, mostrado na figura 1, e sendo testado em campo na figura 3, foi desenvolvido visando resistência a intempéries com auxílio de software CAD, fabricado por métodos de deposição de polímeros controlado por máquina de comando numérico computadorizado (impressora 3D).
Figura 3: Primeira versão do equipamento sendo testada em campo. Fonte: Autoria própria (2017).
Para obter de um produto final com o menor custo possível, o método escolhido para o funcionamento do sensor foi a medição da resistência do solo. O sensor de umidade foi confeccionado em aço inox 304, com auxílio de usinagem e fabricação digital. O funcionamento do sensor ocorre da seguinte forma: em uma sonda é aplicado um sinal contínuo, e a outra sonda se torna a referência desse circuito, fazendo um divisor de tensão com a resistência desconhecida do solo.
Mas para converter esse valor de resistência em valores de umidade do solo, foram necessários testes extensos para catalogar cada faixa de resistência equivalente a um parâmetro de umidade de solo e, também, para verificar a repetibilidade e precisão do sensor.
A primeira etapa foi a execução do projeto e a fabricação da nova versão das placas de circuito impresso, e na elaboração de uma rotina auxiliar no sensor de umidade capaz de reverter o fluxo de elétrons para evitar o acúmulo de íons na sua sonda, notados em testes com a primeira versão. Esse problema se deu por conta da corrente contínua aplicada no sensor, fazendo com que em seu meio aparecesse um potencial elétrico, e as cargas contidas no solo e na água fossem atraídas para a sonda do sensor, como exemplificado na figura 4.
Figura 4: Ilustração da atração de íons para a sonda do sensor de umidade. Fonte: Autoria própria (2017).
A segunda etapa consiste na calibração dos sensores para leituras fidedignas das variáveis medidas e seu respectivo tratamento em software. A calibração dos sensores seguirá em conjunto com a catalogação das necessidades das plantas escolhidas, obtidas de literatura específica na área da agricultura. Para este trabalho, três plantas distintas foram catalogadas em caráter de teste, são elas: Alface-crespa (Lactuca sativa var. crispa), manjericão miúdo (Ocimum basilicum) e menta (Mentha spicata).
A terceira e última etapa consiste na devida aplicação dos protocolos de comunicação escolhidos, bem como o desenvolvimento de uma interface gráfica básica para disponibilizar os dados obtidos. Este projeto pretende relacionar as vantagens e desvantagens da utilização da solução desenvolvida, em comparação aos métodos tradicionais de cultivo urbano.
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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
7.1 AGRICULTURA URBANA
Sendo o foco principal deste estudo o desenvolvimento de ferramentas de cunho tecnológico para suporte à agricultura urbana, é necessário compreender a problemática na qual a agricultura urbana se define e a sua relação com o desenvolvimento sustentável. Em termos práticos, a agricultura urbana se desenvolve com o intuito de resolver alguns dos desafios do desenvolvimento humano. Segundo Mougeot (2005) o desenvolvimento da prática da agricultura urbana engloba inúmeros fatores, e é estimulada por questões como a pobreza urbana e a insegurança alimentar. Por exemplo, em Teresina capital do estado Piauí, com o agravamento do êxodo rural, hortas comunitárias foram criadas pela Prefeitura Municipal na tentativa de reverter os efeitos negativos produzidos pelas altas taxas de crescimento populacional, tendo como objetivo gerar trabalho, renda e melhorar o padrão alimentar das famílias carentes da periferia (MONTEIRO, MONTEIRO, 2006).
A agricultura urbana, segundo Filho (2007), consiste em cultivo de plantas realizados em pequenas áreas dentro da cidade, ou no seu entorno, destinada à produção de alimentos para consumo próprio ou para venda em pequena escala.
A agricultura, em âmbito geral, além das associações tradicionais de produção de alimentos e processos ecológicos, segundo Adriana Aquino (2007) “também envolve processos sociais, sendo a agricultura o resultado da co-evolução de sistemas naturais e sociais”. Para compreender a relação entre o
desenvolvimento humano sustentável e a prática da agricultura urbana, faz-se necessário algumas definições sobre sustentabilidade. De acordo com Pinto et al (2011), o desenvolvimento humano sustentável precisa garantir a “preservação da biodiversidade, da saúde humana e qualidade do ar, da água e do solo, a níveis suficientes para manter a vida humana e o bem-estar das sociedades para sempre”.
Os métodos de produção agrícola amplamente utilizados nos dias atuais, para atender a alta demanda do crescimento populacional, fazem o uso de fertilizantes sintéticos, reguladores de crescimento, pesticidas e aditivos para alimentação animal, associando está prática a lógica da organização dos sistemas de produção industrial; a agricultura urbana orgânica idealmente sustenta-se nos princípios da agroecologia, e possibilita obter bons níveis de produtividade evitando todo tipo contaminação química do agricultor urbano e dos consumidores, bem como do meio ambiente (AQUINO, 2007).
No âmbito social, com o surgimento das metrópoles, uma grande parte da responsabilidade comunitária como a coleta e/ou destino do lixo foi transferida ao poder público, ou mesmo a grandes empresas. A agricultura urbana nas cidades, no plano comunitário, é uma boa ferramenta para a autogestão dos recursos e resíduos orgânicos, com impacto positivo na sanitização pública, uma vez que materiais como embalagens, pneus e entulhos são utilizados para a contenção de pequenas encostas e canteiros e, resíduos orgânicos domiciliares são aproveitados na produção de composto utilizado como adubo (AQUINO, 2007).
A Agricultura urbana pode ser praticada de maneira individual ou coletiva. Coutinho (2010) destaca que a agricultura urbana pode ser praticada em qualquer lugar, como quintais, lajes, terraços, escolas e terrenos baldios; o interesse pelos praticantes variam desde o acesso à alimentos, possibilidade de diversificar o uso de espaços urbanos, alternativa para o combate à fome e à pobreza, segurança alimentar, e, quando praticada em espaços públicos, atua diretamente na destinação social de terra urbana, contribuindo também para criar um espaço para discussões relacionadas ao desenvolvimento urbano, dentre outros temas.
As dificuldades encontradas por aqueles que praticam a agricultura urbana, ou para aqueles que tem a intenção de praticar, seja para consumo próprio ou para a comercialização, são inúmeras, como por exemplo: solo contaminado, combate a pragas e doenças, disponibilidade de água, e ausência de políticas públicas, são alguns dos problemas recorrentes entre a comunidade. A presença de resíduos
nocivos à saúde como mercúrio, chumbo, cádmio e outros em decorrência da função para o qual o solo foi utilizado no passado, disponibilidade de água sem contaminação à um preço acessível, identificação e tratamento das pragas e doenças de maneira orgânica para não expor a risco os agricultores e os consumidores da produção, e o pouco desenvolvimento das políticas públicas relacionadas às práticas da agricultura urbana no Brasil (DUQUE JÚNIOR, 2014).
7.2 OS SENSORES
O monitoramento de temperatura, luminosidade e umidade do solo é de extrema importância no cultivo de vegetais. A temperatura ambiente, por exemplo, influencia diretamente em fatores como incidência pragas e doenças, estimativas de safras (ARAÚJO et al., 2014), evapotranspiração da cultura, etc. (GOMES et al., 2014). Nesse contexto, o uso de tecnologias computacionais permite que se possa fazer o gerenciamento dos dados colhidos pelos sensores, permitindo que essas informações possam ser utilizadas como uma base para a tomada de decisões e planejamento de cultivo.
7.2.1 Sensores de temperatura e luminosidade
A importância da luminosidade no desenvolvimento inicial de plantas pode ser constatada em Mazzei et al. (1998), Nardoto et al. (1998), e Salgado et al. (1998) que estudaram o efeito desse fator sobre espécies nativas de vários grupos ecológicos.
A taxa de crescimento e desenvolvimento da planta também é dependente da temperatura ambiente, como podemos ver ao analisar o gráfico 3, e cada espécie tem uma faixa de temperatura específica representada por valores mínimos, máximos e ótimos. Esses valores foram resumidos por Backlund (2009) para várias espécies diferentes de plantas.
Gráfico 3: Resposta de crescimento do brócolis e milho em diferentes temperaturas na fase vegetativa.
Fonte: Adaptado de Backlund (2009)
O Light Dependent Resistor, ou simplesmente, resistor dependente de luz, possui a característica de ser um componente cuja resistência elétrica diminui quando sobre ele incide energia luminosa. A resistência do LDR varia de forma inversamente proporcional à quantidade de luz incidente sobre ele, isto é, enquanto o feixe de luz estiver incidindo, o LDR oferece uma resistência muito baixa. Quando este feixe é cortado, sua resistência aumenta, como podemos ver no gráfico 4.
Gráfico 4: Resistência versus luminosidade. Fonte: Adaptado de Sunrom Technologies (2008)
O LDR é sensível apenas a luz visível, com comprimento de onda de 400 nm a 800 nm, e dependendo do semicondutor que o sensor é fabricado, ele pode ser sensível a ondas de até 900nm.
Gráfico 5: Resposta espectral do resistor dependente de luz. Fonte: Adaptado de TOKEN (2017).
Normalmente esse sensor é composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS, ou o sulfeto de chumbo. O processo de construção de um LDR consiste na conexão do material fotossensível com os terminais, sendo que uma fina camada é exposta à incidência luminosa externa.
Também chamado de célula fotocondutiva, ou ainda de foto-resistência, o LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência varia linearmente com a intensidade de luz incidente, obedecendo à equação 1:
. . (1)
Onde L é a luminosidade em lux, C e A são constantes dependentes do processo de fabricação e material utilizado. Como já mencionado anteriormente o LDR tem sua resistência reduzida ao ser iluminado. A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o número destes, diminuindo a resistência. Conforme aumenta a quantidade de luz incidente no LDR, um número maior de elétrons na estrutura tem também seu nível de energia aumentado, devido à aquisição de energia entregue pelos fótons. O resultado é o aumento de elétrons livres e elétrons fracamente presos ao núcleo. A figura 5 ilustra um sensor do tipo LDR.
Figura 5: Sensor LDR - (a) simbologia e (b) constituição. Fonte: Adaptado de TOKEN (2017)
7.2.2 Sensor de umidade
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).
7.5.1 Modelagem em software CAD
Modelo criado em software CAD, visando atender todos os requisitos de funcionamento e design para atender sua função e trabalhar da melhor forma com o sistema como exemplificado na figura 6.
Figura 6: Modelo tampa de bomba de óleo em software CAD. Fonte: Autoria própria (2017).
7.5.2 Software CAM
O modelo é então exportado em formato Linguagem de Teselagem Estereolitográfico, ou Stereolithographic Tesselation Language(STL), que é composto por triângulos, e é vastamente utilizado em análise de elementos finitos e impressões 3D por dividir a peça em vários triângulos menores, que então é interpretado pelo software CAM que prepara o modelo para a fabricação dividindo-o em camadas (RODRIGUES, 2010).
Figura 7:Modelo com linhas de impressão gerados por software CAM. Fonte: Autoria própria (2017).
Então o Software CAM, após gerar a estratégia de impressão, envia e coordena o processo para a impressora, que derrete o filamento do material escolhido e imprime o modelo camada à camada.
Figura 8: Funcionamento básico de uma impressora 3D FDM. Fonte: Adaptado de CAMPBELL et al., 2011
Figura 9: Produto final impresso. Fonte: Autoria própria (2017).
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METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO
8.1 ÁREA DE CULTIVO PARA TESTES
Para testar a solução proposta neste trabalho, foi projetada e montada uma área de cultivo em âmbito urbano. Está área foi criada para simular o ambiente de uma horta comunitária, portanto, foi construída horizontalmente. Para criar um ambiente adequado para os testes, a área de cultivo foi criada respeitando algumas características, são elas:
● O cultivo deve ser orgânico, seguindo lei nº 10.831 de 23 de dezembro de 2003, porém sem a necessidade de certificação por auditoria fiscal.
● O sistema de irrigação deve ser por gotejamento, visando o maior aproveitamento dos recursos hídricos disponíveis.
● A área de cultivo deve ser fechada com tela de metal, para proteção do cultivo contra aves e outros animais.
● A área de cultivo deve receber uma tela com malha fina na parte superior, para evitar a compactação do solo pela chuva.
● O solo destinado ao cultivo deve estar isento de agentes contaminantes, e só poderá receber em sua vida útil biofertilizantes naturais que não oferecem perigos aos agricultores ou aos consumidores da produção.
● Os produtos oriundos do cultivo não deverão ser comercializados, porém poderão ser doados.
● Primordialmente, cultivo de hortaliças folhosas de ciclo curto (alface, rúcula, almeirão, espinafre, etc.)
Figura 10:Área de cultivo para testes, em construção. Fonte: Autoria própria (2017).
A área de cultivo foi construída com blocos de cimento, madeira de pinus para a armação e sustentação dos blocos e telas de plástico e aço, conforme evidênciado na figura 10, 11 e 13. Vale salientar que não foi utilizado nenhum tipo de selante, ou adesivo entre os blocos de cimento. Eles foram apenas posicionados no seu devido lugar, e posteriormente, travados com uma ripa de pinus.
Figura 11: Dimensões da área de cultivo Fonte: Autoria própria (2017).
A composição do solo utilizada, e a disposição dos componentes de drenagem foram elaboradas conforme apresentado na figura 12. Para a drenagem do solo, foi utilizado brita Nº0. Para a retenção dos nutrientes e das partículas do solo, foi adicionado uma manta vegetal bidim sobre a pedra, antes do solo ser depositado.
Figura 12: Disposição dos componentes de drenagem da área de cultivo. Fonte: Autoria própria (2017).
Como o cultivo é essencialmente orgânico, através de contato com os agricultores locais elaboramos a seguinte mistura para compor o solo:
● Terra vegetal, 70%. ● Húmus de minhoca, 15%. ● Esterco de aves curtido, 5%. ● Areia de construção lavada, 10%.
O húmus de minhoca e a terra vegetal fornecem toda a matéria orgânica básica para o desenvolvimento das plantas. O esterco de aves curtido foi selecionado devido à alta carga de nitrogênio que ele é capaz de fornecer para o solo. O nitrogênio é amplamente absorvido pelas plantas no processo vegetativo, que é o processo onde as plantas desenvolvem o caule e as folhas. Como o cultivo é primordialmente para hortaliças folhosas de ciclo curto, a carga extra de nitrogênio no solo proporciona a máxima eficiência para este tipo de cultivo.
A areia de construção lavada foi adotada para realizar duas funções: Melhorar a drenagem do solo e evitar a compactação. A compactação é um problema que atrapalha o desenvolvimento das raízes das plantas, bem como a oxigenação do solo.
Figura 13: Área de cultivo finalizada. Fonte: Autoria própria (2017).
Para o sistema de irrigação, foi escolhido o método de gotejamento.A irrigação superficial por gotejamento oferece oportunidade para o uso racional dos recursos hídricos, assegura a produtividade, maior rendimento e a possibilidade da aplicação de biofertilizantes, como o chorume oriundo de composteiras, simultaneamente ao processo de irrigação (NOGUEIRA; COELHO; LEÃO, 2000).
