DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS SEM FIO PARA REDE DE
INSTRUMENTAÇÃO INTELIGENTE EM APLICAÇÕES NA
AGRICULTURA DE PRECISÃO
Tiago Pinheiro Felix da Silva e Lima1 Wellington Carlos Lopes 2 Andre Torre Neto 3
RESUMO
Na Embrapa Instrumentação Agropecuária está sendo desenvolvido um sistema de aquisição de dados para a área agropecuária baseado em rede sem fio de sensores inteligentes. O circuito dos sensores inteligentes foi implementado com um microcontrolador CMOS de alto desempenho e arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) e com um módulo transceptor CMOS de 100m de alcance. O resultado é um circuito que oferece várias características necessárias para o ambiente agropecuário: é simples, compacto, robusto, apresenta baixo consumo de energia e ampla faixa de tensão de alimentação. A comunicação via rádio foi implementada com base no padrão de codificação Manchester. Neste trabalho é descrito o desenvolvimento do hardware e software desses sensores e são mostrados alguns resultados da utilização do sistema para o monitoramento remoto de variáveis ambientais.
PALAVRAS-CHAVE: sensores inteligentes, rede sem fio, agropecuária, aquisição de dados,
radiofreqüência.
DEVELOPMENT OF WIRELESS DEVICES FOR INTELLIGENT SENSOR
NETWORK INSTRUMENTATION IN PRECISION AGRICULTURE
APPLICATIONS
ABSTRACT
At the Embrapa Agricultural Instrumentation center, in Brazil, it has been developed a data acquisition system for agricultural applications based on a wireless intelligent sensor network. The intelligent sensor circuit was implemented with a high performance RISC (Reduced Instruction Set Computer) architecture microcontroller and a 100 m range transceptor module. The result is a circuit that provides many necessary characteristics to the agricultural environment: its simple, compact, robust, low power consuming and wide operating voltage range. The wireless communication was based on the Manchester codification standard. In this work it is described the development of the sensor hardware and software and showed a few results of the system for remote monitoring environmental variables.
KEYWORDS: intelligent sensors, wireless network, agriculture, data acquisition, wireless, radio frequency
1. INTRODUÇÃO
Um notável suporte tecnológico alavanca a agricultura de precisão. Apesar disso, ainda há áreas necessitando de muito desenvolvimento para que essa nova abordagem do manejo agrícola se viabilize como parte da solução do paradoxo do aumento da produtividade e a conservação de recursos naturais. As
1 Engenheiro Eletricista, Mestrando em Engenharia Elétrica, Escola de Engenharia de São Carlos, USP, Campus de São Carlos,
e-mail: thiago@cnpdia.embrapa.br
2 Tecnólogo em Processamento de Dados, Mestrando em Engenharia Elétrica, Escola de Engenharia de São Carlos, USP, Campus de
São Carlos, e-mail: lopes@cnpdia.embrapa.br
oportunidades em instrumentação e automação vão desde o desenvolvimento de novos sensores, que permitam a obtenção de diversos mapas de parâmetros do solo e da cultura de forma cada vez mais eficiente e confiável, até sistemas que possibilitem maior integração dos dados adquiridos para facilitar a interpretação, análise e uso adequado dos mapas. Tais oportunidades são maiores ainda se consideradas culturas perenes, já que a agricultura de precisão se iniciou na cultura de grãos e se desenvolveu com maior intensidade para esse tipo de cultura. Muitos dos trabalhos em desenvolvimento na Embrapa Instrumentação Agropecuária estão, ou podem ser dirigidos, para a exploração dessas oportunidades. Entre eles está o sistema de rede de instrumentação agrícola inteligente, já comercializado como GEO255. Em uma primeira investida, o sistema GEO255 foi utilizado em unidade de demonstração de um sistema de irrigação espacialmente variável para citricultura (Torre-Neto et al., 2001). Nesse trabalho, realizado em parceria com a Universidade da Flórida, foram realizadas diversas adaptações de hardware e software dirigidas para essa aplicação. Entretanto, também foram levantados problemas e possíveis soluções. Entre as soluções está a implementação de dispositivos sem fio, com transmissão via rádio de curto alcance. O objetivo é fazer um sistema que não somente viabilize os custos de manutenção e instalação, mas que também seja compatível com o sistema de produção, ficando menos exposto às operações de máquinas e implementos no pomar.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O sistema de rede de instrumentação agrícola inteligente GEO255, desenvolvido por Torre-Neto et al. (1995), é composto de uma rede de dispositivos sensores e atuadores inteligentes comandados por telemetria. Os sensores e atuadores são baseados em transdutores convencionais e comercialmente disponíveis, ou seja: fios de platina (PT100), capacímetros, células de carga, potenciômetros, discos codificados, solenóides, entre outros. Porém, eles são adaptados a um circuito microcontrolado que proporciona a comunicação digital entre eles e um microcomputador PC. Os então chamados sensores inteligentes formam uma rede com fio no campo, baseada no padrão de comunicação serial multiponto RS-485 entre eles, e via rádio de longo alcance entre o campo e uma estação base no escritório da fazenda (o PC). Os dados são adquiridos por programas escritos na linguagem de programação gráfica LabView, versão para Windows.
Para que fosse implementada a comunicação via rádio também entre os sensores e atuadores, suprimindo o cabo no campo, foi escolhido o módulo transceptor comercial DR-3000 da RFM com alcance de até 100m e freqüência de operação de 916,5 MHz. Foram testados alguns padrões para a interface do microcontrolador e o módulo transceptor. Decidiu-se pela codificação Manchester, com taxa de transmissão de 2400 bauds e modulação do tipo On-Off Key, para aumentar a eficiência de recuperação dos dados. Foi utilizada antena do tipo plano terra de um quarto de onda para todos os sensores transmissores digitais inteligentes (TDIs). A alimentação do circuito foi modificada para funcionar com quatro baterias de Níquel-Cádmio associadas a células fotovoltaicas. A arquitetura do sistema e o diagrama em blocos do novo circuito são mostrados na Figura 1.
DE SINAIS TDI
3 a) TRANSMISSOR DIGITAL UTILIZANDO RF
ANTENA MICROCON-
TROLADOR
TRANSCEPTOR RF b) TRANSMISSOR DIGITAL INTELIGENTE
CIRCUITO MESTRE Até 100m. CONVERSOR A/D TDI 1 TDI 3 TDI 2 CONDICIONADOR SENSOR Sensores Inteligentes
FIGURA 1: Arquitetura do sistema desenvolvido mostrando: a) a topologia sem fio e b) o diagrama em blocos do TDI, Transmissor Digital Inteligente.
O fluxograma do programa embarcado no microcontrolador RISC, desenvolvido para a aplicação de monitoramento remoto utilizando os TDIs via rádio, pode ser observado na Figura 2. O protocolo foi adaptado ao anteriormente utilizado no projeto GEO255, proporcionando segurança e confiabilidade às variáveis monitoradas.
)) CONFIGURAR PORTAS DE ENTRADA E SAÍDA E O WATCHDOG TIMER (WDT ZERAR O WDT E EXECUTAR ROTINAS DE BACKGROUND RECEBER PACOTE DO PROTOCOLO O PACOTE É VÁLIDO? HABILITAR TRANSMISSÃO, ENVIAR RESPOSTA, ZERAR MEMÓRIA E EXECUTAR user_R HABILITAR TRANSMISSÃO, ENVIAR RESPOSTA, EXECUTAR ROTINA DE AQUISICÃO E EXECUTAR user_G RECEBEU ALGUM CARACTER? MAIN INÍCIO HABILITAR RECEPÇÃO NO MÓDULO TRANSCEPTOR O COMANDO É RESET? O COMANDO É AQUISICÃO? O COMANDO É TRANSMISSÃO? NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO SIM SIM SIM SIM SIM HABILITAR TRANSMISSÃO, TRANSMITIR DADOS DA ÚLTIMA AQUISIÇÃO E EXECUTAR user_T CONFIGURAR PORTAS DE ENTRADA E SAÍDA E O WATCHDOG TIMER (WDT ZERAR O WDT E EXECUTAR ROTINAS DE BACKGROUND RECEBER PACOTE DO PROTOCOLO O PACOTE É VÁLIDO? HABILITAR TRANSMISSÃO, ENVIAR RESPOSTA, ZERAR MEMÓRIA E EXECUTAR user_R HABILITAR TRANSMISSÃO, ENVIAR RESPOSTA, EXECUTAR ROTINA DE AQUISICÃO E EXECUTAR user_G RECEBEU ALGUM CARACTER? RECEBEU ALGUM CARACTER? MAIN INÍCIO HABILITAR RECEPÇÃO NO MÓDULO TRANSCEPTOR O COMANDO É RESET? O COMANDO É AQUISICÃO? O COMANDO É TRANSMISSÃO? O COMANDO É RESET? O COMANDO É AQUISICÃO? O COMANDO É TRANSMISSÃO? O COMANDO É RESET? O COMANDO É AQUISICÃO? O COMANDO É TRANSMISSÃO? NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO SIM SIM SIM SIM SIM HABILITAR TRANSMISSÃO, TRANSMITIR DADOS DA ÚLTIMA AQUISIÇÃO E EXECUTAR user_T
FIGURA 2: Fluxograma simplificado do programa de controle dos TDIs.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os novos TDIs escravos utilizando transmissão via rádio foram testados em ambiente aberto e em laboratório. O circuito foi submetido à presença de ruídos, mas, conforme já estava previsto no protocolo de comunicação, apenas as transmissões com informações válidas foram armazenadas. Para distâncias de até 40m os resultados foram satisfatórios. Acima dessa distância já acontecem em torno de 50% de falhas de comunicação. Espera-se que pequenas modificações no projeto do circuito e outros tipos de antena possam proporcionar o alcance especificado.
Quanto ao consumo de energia, as baterias de Níquel-Cádmio recarregadas em laboratório proporcionaram 72 horas de operação do circuito coletando e transmitindo dados no intervalo de 10 minutos. Ainda não foram realizados testes de campo com recarga via célula fotovoltaica.
Fixados pontos geograficamente conhecidos, e distribuídos vários módulos TDIs nesses pontos, cria-se uma rede para o monitoramento em tempo real de parâmetros abióticos. A abrangência pode cria-ser a de uma região, uma propriedade ou um talhão. Se distribuídos em grade, esses sensores inteligentes poderão disponibilizar ao produtor, mapas da variação espaço-temporal desses parâmetros, como umidade e temperatura do solo, para serem analisados juntamente com os mapas de produtividade. Desta forma, a realização deste projeto proporciona uma nova abordagem para a prática da agricultura de precisão.
5. AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos colegas da Embrapa Instrumentação Agropecuária pela colaboração, em especial ao técnico em eletrônica Gilmar Victorino.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
TORRE-NETO, A.; CRUVINEL, P.E.; SLAETS, J.F.W.; CRESTANA, S. Remote monitoring of environmental variables for modeling of pesticide transport in soil. Applied Engineering in Agriculture, St. Joseph, v.13, n.1, p.115-122, 1997.
TORRE-NETO, A.; SCHUELLER, J.K.; HAMAN, D.Z. Automated System for Variable Rate Microsprinkler Irrigation in Citrus: A Demonstration Unit. In: Third European Conference on Precision Agriculture, 3, Montpellier/France, June 18-20 2001. Proceedings... 2001. p.725-730. CD-ROM.
