AGROSOFT 97
I Congresso da SBI-Agro
Projeto de um monitor de semeadora com GPS para pesquisa
em Agricultura de Precisão
Edmur Canzian
ecanzian@laa.pcs.usp.br
Antonio Mauro Saraiva
amsaraiv@usp.br
Carlos Eduardo Cugnasca
cecugnas@usp.br
Sérgio Miranda Paz
smpaz@laa.pcs.usp.br
Laboratório de Automação Agrícola - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Av. Prof. Luciano Gualberto, trav. 3, n. 158, sala C2-56 - CEP 05508-900
São Paulo - SP - Brasil
fone: (011)8185366 / (011)8185271 - fax: (011)8185294
Resumo
Para auxiliar o operador durante o processo de semeadura, desenvolveu-se no Laboratório de Automação Agrícola da Universidade de São Paulo um Monitor de Semeadora composto de dois módulos eletrônicos com "hardware" proprietário. As
funções básicas desse equipamento são detectar e informar eventuais falhas na queda de sementes para que elas possam ser corrigidas, e coletar dados do processo para análise posterior. A fim de integrá-lo a sistemas de Agricultura de Precisão, alterou-se a sua arquitetura de "hardware" e acrescentou-se um receptor do Sistema de Posicionamento Global (GPS - Global Positioning System). O equipamento atual utiliza um
microcomputador compatível com IBM-PC, que, conectado ao receptor GPS, armazena os dados de mapas de semeadura, que poderão ser utilizados por Sistemas de Informações Geográficas (GIS - Geographic Information Systems).
In order to help the operator during planting process, the Agricultural Automation Laboratory of University of São Paulo developed a planter monitor composed of two
electronic modules, with proprietary hardware. The basic functions of this instrument are to detect and to inform possible failures in the seed dropping, so that they can be
corrected, and to collect data for a further analysis. In order to integrate to Precision Farming systems, its hardware architecture was changed, and a GPS receiver was
incorporated to it. The current monitor uses an IBM-PC compatible computer connected to a GPS receiver and stores data for a seed mapping, that can be used by Geographic Information Systems.
Palavras-Chave
Agricultura de Precisão; monitor de semeadora; receptor GPS.
1. INTRODUÇÃO
Nas práticas utilizadas na agricultura convencional, o campo cultivável é tratado como uma única unidade. Ao ser delimitado o espaço a ser cultivado, decisões de plantio, aplicações químicas, irrigação, etc são tomadas por média simples da área total. Com o rápido avanço de sistemas eletrônicos e de sistemas computacionais para uso industrial, e com a disponibilidade de sinais de satélite para indicar posição geográfica, torna-se viável uma mudança radical nas práticas adotadas na agricultura. Enquanto alguns campos são bem uniformes, outros têm variações no tipo de solo, fertilidade e outros fatores que afetam a produção agrícola. Se a variabilidade do campo puder ser medida e registrada, o conhecimento poderá ser usado para otimizar as aplicações em cada ponto. Esse é o novo conceito da Agricultura de Precisão.
Para viabilizá-la, é necessário que o sistema determine a localização de pessoas ou máquinas no campo. Integrando um receptor GPS ("Global Positioning System") a um monitor de semeadora, o sistema estará armazenando dados num mapa específico de semeadura. Para a pesquisa em Agricultura de Precisão, esse mapa estará contribuindo como mais um parâmetro para identificar as relações entre as variabilidades dos insumos e da produção.
2. OBJETIVOS
O LAA desenvolveu um monitor de semeadora, já testado e pronto para operação em campo (Saraiva, 1993). Para possibilitar a obtenção de mapas de semeadura, com o auxílio de um receptor de GPS, foram feitas algumas modificações no "hardware" do sistema original, e a implantação de "software" aplicativo específico para esta finalidade.
Com o projeto em andamento pelo LAA, vários objetivos deverão ser alcançados em
curto prazo: o desenvolvimento de aplicativos através de ferramentas de programação do ambiente "Windows"; a aquisição de experiência no uso de receptores GPS para a
navegação de veículos; a geração dos dados para uso em pacotes GIS conhecidos; e a aplicação do Monitor de Semeadora com receptor de GPS em Agricultura de Precisão. Neste trabalho, pretende-se apresentar a nova arquitetura do Monitor de Semeadora, onde um microcomputador IBM-PC compatível (Módulo Central) coleta dados do receptor de GPS e da semeadora, supervisiona a operação da semeadora e trata mapas de
semeadura; um Módulo Remoto com "hardware" proprietário coleta dados da semeadora e se comunica com o Módulo Central através de interface serial; e um receptor GPS usa a capacidade de transferir dados de posição geográfica via interface serial para o Módulo Central armazená-los.
Outro objetivo, mais específico da Agricultura de Precisão, é o estudo das informações contidas no mapa de semeadura a ser obtido, que podem ser usadas como subsídios para decisões do gerenciamento agrícola. Espera-se, ainda, que se consiga estabelecer algum tipo de correlação entre os dados obtidos e as variações espaciais detectadas no
momento da colheita. A validação desse sistema se dará através de testes em campo e, da correta manipulação do mapa de semeadura em sistemas de Agricultura de Precisão.
3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 - Descrição funcional
O Monitor de Semeadora com receptor de GPS (MSGPS) destina-se a fornecer dados ao operador sobre as condições de trabalho do conjunto trator-semeadora, para a imediata correção de eventuais falhas, evitando que elas só sejam detectadas após a germinação, o que provocaria queda na produtividade ou necessidade de replantio. Além do apoio à operação, outra finalidade é a coleta de dados geográficos (longitude e latitude) junto com o registro de variáveis da operação, que permitirão gerar, em última instância, os mapas de semeadura.
O equipamento desenvolvido é um sistema de aquisição de dados dedicado, que efetua a coleta de dados de alguns dos principais parâmetros de semeadura, e os apresenta, após o processamento, ao operador do trator. O equipamento não efetua o controle da
operação em malha fechada, principalmente pela dificuldade dessa atuação nos
dispositivos mecânicos atualmente em uso nas semeadoras. O controle da operação é feito pelo operador, apoiado nas informações apresentadas pelo monitor. A Figura 1 apresenta o Monitor de Semeadora dividido em suas partes principais: o Módulo Central, o Módulo Remoto e o Módulo GPS.
Figura 1 - Arquitetura do Monitor de Semeadora
O Módulo Central é o responsável pelo processamento dos dados coletados e pela
interface com o operador. Ele é constituído de um microcomputador IBM-PC compatível, que pode ser montado tanto em "rack" industrial, apropriado para ambientes hostis, quanto em "notebook", para avaliação preliminar. O Módulo Remoto, por sua vez, realiza a interface com os sensores (de fluxo de sementes, de deslocamento e de posição)
dispostos na semeadora, coletando estes dados e enviando-os ao Módulo Central. Da mesma forma, o Módulo GPS, montado sobre o trator, coleta dados de posição geográfica e os envia ao Módulo Central.
3.1.1 - Módulo central
O "hardware" do Módulo Central compõe-se de: um microcomputador IBM-PC de alto desempenho (mínimo 486); um monitor de vídeo compatível com sistema operacional Microsoft Windows; um dispositivo apontador ("mouse" ou "trackball"); dois canais seriais RS-232C livres (Módulo Remoto e GPS); um dispositivo para armazenamento de dados que suporta choque e vibração, por exemplo cartão PCMCIA; e, futuramente, um "rack" industrial para aplicação em ambientes agressivos e sobre veículos em movimento. Justifica-se arquitetura de "hardware" compatível com a linha de microcomputadores IBM-PC porque a aplicação necessita de armazenamento de grande quantidade de dados, de processamento dos dados para geração de mapas e de portabilidade para GIS.
O protocolo de comunicação entre o Módulo Central e o Módulo Remoto se dá através de mensagens trocadas, no padrão RS-232C. Foram definidas mensagens para iniciação e configuração do equipamento, para fornecimento de seu estado, e para fornecimento de
dados de contagem de sementes.
Um módulo funcional de "software", desenvolvido em Visual Basic 3.0 faz a coleta de dados do receptor GPS e os integra aos dados coletados pelo Módulo Remoto. O mapa de semeadura por ele recebido poderá ser apresentado na tela do microcomputador, em formato gráfico ou tabular e, conterá as seguintes informações que se repetem de acordo com uma base de tempo pré-estabelecida: posição geográfica (latitude e longitude) por onde a máquina passou; velocidade da máquina; taxa de sementes média local; e
alarmes/falhas da queda de sementes. Outra possibilidade é a conversão dos dados para um formato compatível com um GIS, como o "Idrisi" ou o "ArcView", para sua posterior manipulação por esses programas.
O "software" aplicativo que roda no Módulo Central do MSGPS utiliza a ferramenta de programação Visual Basic 4.0 (Figura 2). O controle de todas as funções da semeadora são executados através de uma interface gráfica amigável. O Módulo Central comunica-se, através de mensagens, com o Módulo Remoto, recebendo as informações obtidas pelos sensores; e com o Módulo GPS, recebendo as informações sobre a posição geográfica do trator.
Figura 2 - Janela do aplicativo O sistema pode funcionar em três modos de operação:
Modo Programação: Neste modo, programa-se o sistema com os parâmetros em que será realizado o processo de semeadura. Os dados são inseridos pelo operador através da mudança de parâmetros na janela de configuração. Utilizam-se estes parâmetros para efetuar a coleta de dados, detectar as situações de alarme e fazer análise dos dados. Neste modo, também se configura o protocolo de comunicação com o receptor de GPS que o sistema utilizará. Com isso, o sistema torna-se compatível com os diversos
Modo Monitoração/Aquisição: Este é modo em que o sistema deverá operar durante o processo de semeadura. Neste modo, monitora-se o processo, coletando dados dos sensores e do receptor de GPS, armazenando-os em mídia eletrônica. Além disso, o
sistema informa ao operador a ocorrência de falhas, em tempo real, como por exemplo, o entupimento de alguma linha, falta de sementes, velocidade incompatível, etc.
Modo Análise de Dados: Neste modo faz-se a análise dos dados que foram armazenados durante a operação da semeadura pelo Módulo Central. Pode-se visualizar, também, os mapas de semeadura.
Os parâmetros utilizados pelo sistema são: Taxa de sementes (quantidade de sementes plantadas por metro); População (quantidade de sementes plantadas por hectare); Capacidade de Campo Efetiva (área plantada por unidade de tempo, em ha/h);
Velocidade (velocidade de operação da semeadora); Área (área total plantada em ha); Latitude/Longitude (coordenadas que o sistema utiliza para caracterizar geograficamente os dados armazenados.
3.1.2 - Módulo remoto
O Módulo Remoto, cujo "hardware" foi desenvolvido pelo LAA-EPUSP, é instalado na
semeadora, próximo às linhas de semeadura. Ele possui uma unidade de processamento, à qual são conectados os sensores de fluxo de sementes, o sensor de posição da
semeadora e o sensor de deslocamento do trator. Os sensores de fluxo de sementes (até 16 sensores) são responsáveis pela detecção do número de sementes lançadas ao solo em cada linha de semeadura. O sensor da posição da semeadora indica se a máquina está na posição operacional (abaixada) ou de transporte (levantada). O sensor de deslocamento do trator, conectado a uma roda de tração da semeadora, fornece a
distância percorrida pelo conjunto trator-semeadora (e, indiretamente, a sua velocidade de deslocamento). O Módulo Remoto lê os sensores (de sementes, deslocamento e posição da semeadora), realiza um pré-processamento dos dados e os envia para o Módulo Central.
3.1.3 - Módulo GPS
O Receptor de GPS é um equipamento que se utiliza de sinais recebidos de satélites artificiais para determinar a sua posição geográfica (longitude, latitude e altitude). O Módulo GPS proposto consta de um receptor GPS comercial (sendo selecionado) que contenha canal serial padrão RS-232C para comunicação com o Módulo Central.
O sistema poderá contar ainda com uma estação provedora de correções segundo a técnica do GPS diferencial. A razão disso é a redução dos erros na determinação das posições, adequando-os à aplicação em Agricultura de Precisão. Outra opção, mais econômica, é a correção "a posteriori", através de dados de correção fornecidos pelo IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística.
4. CONCLUSÕES
O Monitor de Semeadora desenvolvido e testado pelo LAA atende às necessidades dos agricultores no que trata da supervisão do plantio de grãos graúdos. Esse mesmo
equipamento supera os monitores do mercado comercial na parte que trata da análise de dados coletados. Oportunamente, ele deverá ser utilizado em operações experimentais de semeadura. A análise dos resultados poderá indicar a sua adequação à Agricultura de Precisão.
5. REFERÊNCIA
● SARAIVA, A.M.; CUGNASCA, C.E.; MASSOLA, A.M.A. (1993) Planter Monitoring: a
management approach. ASAE International Winter Meeting, Chicago, 1993, American Society of Agricultural Engineers, ASAE Paper # 93-1552.
6. BIOGRAFIAS Edmur Canzian
Engenheiro eletricista pela EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (1985). Atuou como engenheiro projetista de "hardware" digital e de "software" básico nas empresas Unitron Eletrônica Ltda. (1986-1988) e COPESP - Coordenadoria para Projetos Especiais da Marinha do Brasil (1989-1995). Atual pesquisador do LAA -
Laboratório de Automação Agrícola da EPUSP (envolvido com o projeto de um monitor de semeadora para grãos graúdos e sua aplicação em Agricultura de Precisão), e docente de cursos de extensão universitária voltados para microcontroladores PIC e 8051.
Antonio Mauro Saraiva
Engenheiro eletrônico pela EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (1980), Engenheiro Agrônomo pela ESALQ - Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" da USP (1987), Mestre em Engenharia pela EPUSP (1993), e Doutorando em Engenharia pela EPUSP. Atual Professor do PCS - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais da EPUSP (desde 1989), idealizador e coordenador do LAA - Laboratório de Automação Agrícola da EPUSP (desde 1989) e pesquisador do Núcleo de Pesquisa em Automação Agrícola da USP e da FDTE - Fundação para o Desenvolvimento Tecnológico da Engenharia (desde 1989).
Carlos Eduardo Cugnasca
Engenheiro eletrônico pela EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (1980), Mestre em Engenharia pela EPUSP (1988), e Doutor em Engenharia pela EPUSP (1993). Atual Professor do PCS - Departamento de Engenharia de Computação e
Sistemas Digitais da EPUSP (desde 1988), coordenador do LAA - Laboratório de
Automação Agrícola da EPUSP (desde 1989), coordenador dos Cursos de Extensão do PCS-USP, pesquisador da FDTE - Fundação para o Desenvolvimento Tecnológico da Engenharia (desde 1982), e gerente de projetos nas áreas de automação industrial, comercial e agrícola.
Sérgio Miranda Paz
Engenheiro eletrônico pela EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (1981), Bacharel em Ciência da Computação pelo IME - Instituto de Matemática e
Estatística da USP (1983), Mestre em Engenharia pela EPUSP (1997), e Doutorando em Engenharia pela EPUSP. Foi pesquisador visitante do Agricultural Engineering Department da Texas A & M University, EUA (1995-1996). Atual pesquisador do LAA - Laboratório de Automação Agrícola da EPUSP (desde 1989) e da FDTE - Fundação para o
Desenvolvimento Tecnológico da Engenharia (desde 1982), e Professor do Departamento de Tecnologia em Processamento de Dados da FAPA - Faculdade Paulistana de Ciências e Letras (1997).
