Monitoramento de variáveis ambientais usando IoT para aplicações em agrometeorologia / Monitoring of environmental variables using IoT for applications in agrometeorology

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p. 58855-58869 aug. 2020. ISSN 2525-8761

Monitoramento de variáveis ambientais usando IoT para aplicações em

agrometeorologia

Monitoring of environmental variables using IoT for applications in

agrometeorology

DOI:10.34117/bjdv6n8-338

Recebimento dos originais:08/07/2020 Aceitação para publicação:19/08/2020

Caíke Damião NascimentoSilva

Graduando em Engenharia Elétrica pela UNINTER Instituição: Centro Universitário Internacional

Endereço: Av. Bezerra de Menezes, 260, PAP Fortaleza, Farias Brito – Fortaleza – CE, Brasil E-mail: caikedamiao@gmail.com

José Airton Gonçalves de Lima

Professor da Escola Superior Politécnica da UNINTER Instituição: Centro Universitário Internacional

Endereço: Rua Luiz Xavier, 103, Centro – Curitiba – PR, Brasil E-mail: joseairtonglima@outlook.com

Luís Gustavo Chaves da Silva

Professor do Instituto de Desenvolvimento Rural da UNILAB

Instituição: Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-brasileira Endereço: Rua José Franco de Oliveira, s/n, Campus das Auroras – Redenção – CE, Brasil

E-mail: chaveslg@unilab.edu.br

Wyara Maria Carlos Souza Pontes

Mestranda em Engenharia Elétrica pela UFC Instituição: Universidade Federal do Ceará

Endereço: Av. Humberto Monte, s/n, Campus do Pici – Fortaleza – CE, Brasil E-mail: wyara_w2@hotmail.com

Kevin de Paula Amorim

Graduando em Engenharia de Energias pela UNILAB

Instituição: Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-brasileira Endereço: Rua José Franco de Oliveira, s/n, Campus das Auroras – Redenção – CE, Brasil

E-mail: kevindipaula@hotmail.com

RESUMO

A internet das coisas é um novo conceito para sistemas embarcados, onde objetos e equipamentos estão conectados à internet e dessa forma podem prover serviços e informações relevantes, seja para saúde, segurança, negócios, monitoramento ambiental, entre outras aplicações. Neste trabalho a aplicação deste novo conceito de tecnologia é utilizada para fins agrícolas, de forma a fornecer dados de variáveis ambientais que promovam o planejamento dos cultivos, bem como a geração de informação para tomada de decisão. Um protótipo de estação agrometeorológica conectada à internet foi desenvolvido a partir de sensores de baixo custo, onde temperatura, umidade, pressão

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atmosférica, iluminância e radiação ultravioleta foram as variáveis medidas. Foi utilizada uma plataforma de aquisição de dados online para armazenamento e para monitoramento em tempo real das variáveis, tendo como vantagem a facilidade de acesso e a coleta dos dados para geração de planilhas e gráficos. Apesar das limitações operacionais, o protótipo mostrou ser uma solução barata e prática para o monitoramento ambiental, com foco em atender a demanda de pequenos produtores que não possuam nenhum tipo de monitoramento meteorológico para auxiliar no processo produtivo.

Palavras-chave: Agrometeorologia, Internet das Coisas, Sistemas Embarcados. ABTRACT

The internet of things is a new concept for embedded systems, where objects and equipment are connected to the internet and thus can provide relevant services and information, whether for health, safety, business, environmental monitoring, among other applications. In this work, the application of this new technology concept is used for agricultural purposes, in order to provide data on environmental variables that promote the planning of crops, as well as the generation of information for decision making. A prototype of an agrometeorological station connected to the internet was developed from low-cost sensors, where temperature, humidity, atmospheric pressure, illuminance and ultraviolet radiation were the variables measured. An online data acquisition platform was used to store and monitor variables in real time, with the advantage of easy access and data collection for the generation of spreadsheets and graphs. Despite the operational limitations, the prototype proved to be a cheap and practical solution for environmental monitoring, focusing on meeting the demand of small producers who do not have any type of meteorological monitoring to assist in the production process.

Keywords: Agrometeorology, Internet of Things, Embedded systems.

1 INTRODUÇÃO

As Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs) influenciaram diretamente nosso cotidiano nos últimos anos, tornando as informações mais acessíveis em um menor intervalo de tempo, além disso, o uso de dispositivos móveis se tornou cada vez mais comum. O mundo se tornou cada vez mais conectado e dependente da tecnologia, demandando maior adesão às novas soluções tecnológicas para facilitar a vida das pessoas.

Nos últimos anos o monitoramento de diversas variáveis ambientais como temperatura, umidade, pressão, radiação, entre outras, para uso na agricultura tem sido cada vez mais explorado, o uso de sensores de baixo custo aliado à facilidade de integração com sistemas informatizados e conectados à internet possibilita a coleta de dados e auxilia no planejamento do cultivo agrícola, buscando produzir o máximo possível com o mínimo de recursos (MONTEIRO, 2009).

Utilizar-se dos conhecimentos da meteorologia em todas suas formas para melhorar o uso dos recursos agrícolas, principalmente água e solo, para produzir o máximo de alimentos evitando o desperdício e o abuso dos recursos da terra é o principal objetivo da agrometeorologia (SMITH,

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1975). Conhecer as relações entre as condições físicas do ambiente e as diversas culturas agrícolas permite identificar a influência climatológica e do tempo no desenvolvimento e produtividade das culturas (MONTEIRO, 2009).

De acordo com Ramos et al. (2018), os sistemas de suporte à decisão inseridos no contexto da meteorologia agrícola, os quais promovem acesso às informações relativas ao tempo e condições climáticas, podem contribuir para o planejamento da produção e garantir a segurança da produção alimentar. Por outro lado, o custo de aquisição de estações agrometeorológicas disponíveis no mercado, para o monitoramento ambiental, ainda é alto se considerarmos as condições financeiras dos pequenos produtores. Além disso, a usabilidade destes sistemas de medição pode ser melhorada, tornando a utilização mais fácil e de maneira remota por meio de comunicação via internet (ALMEIDA NETO et al., 2018).

Diante disso, o objetivo principal deste trabalho é utilizar sensores de baixo custo para o monitoramento de variáveis ambientais e promover a aquisição online dos dados por meio da Internet das Coisas (IoT), integrando o sistema de medição com a rede de internet e disponibilizando as informações por meio de uma plataforma web.

A partir do desenvolvimento do projeto espera-se como resultado um sistema de medição com certa confiabilidade e usabilidade que possa ser utilizado por qualquer produtor agrícola que possua um smartphone ou computador para visualizar as informações medidas pelos sensores, bem como o histórico dos dados, funcionando como uma ferramenta de suporte no planejamento do cultivo.

2 AGROMETEROLOGIA E INTERNET DAS COISAS

A meteorologia agrícola ou agrometeorologia é uma área da meteorologia, ramo da ciência que estuda os fenômenos físicos da atmosfera. A agrometeorologia está focada na influência das condições atmosféricas e suas consequências no ambiente rural. As condições meteorológicas podem determinar o nível de produtividade, em um certo período, e ajudar na tomada de decisão em relação às várias atividades agrícolas (PEREIRA et al., 2007).

Desde a semeadura até a colheita, os tratos culturais (aplicação de defensivos, irrigações, movimento de máquinas agrícolas etc.) são condicionados pelas condições ambientais. Logo, a tomada de decisões e o planejamento de operações cotidianas dependem do conhecimento das condições meteorológicas prevalecentes. O acompanhamento diário dessas condições e a utilização da previsão do tempo constitui-se em ferramenta fundamental para a operacionalização das atividades agrícolas. A esse monitoramento diário das condições ambientais existentes e à elaboração de informes específicos denomina-se de Agrometeorologia Operacional. Essa é uma atividade em que se procura estabelecer harmonia entre as condições reinantes, a previsão meteorológica, e as atividades necessárias para bom desempenho econômico. Essa é uma maneira prática de se reduzir o

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impacto agroambiental imposto pela exploração desenfreada dos recursos naturais, na tentativa de se prover alimentos, energia, e fibras para uma população crescente. Resumindo, a Agrometeorologia tem sua principal aplicação no planejamento e na tomada de decisões numa propriedade agrícola, seja na produção animal ou vegetal, sendo ferramenta indispensável àqueles envolvidos no processo produtivo rural (PEREIRA et al., 2007, p. 3).

Uma estação meteorológica é um sistema composto por sensores e instrumentos que fazem a leitura de variáveis ambientais para análise do tempo e monitoramento ambiental. Este sistema é capaz de registrar temperatura, umidade relativa do ar, radiação solar, chuva, pressão, velocidade e direção do vento, entre outras variáveis que diferem dependendo da finalidade das observações, como é o caso das estações agrometeorológicas, que têm como objetivo coletar dados de interesse às atividades agrícolas (BISCARO, 2007).

Quanto ao tipo de coleta de dados, a estação pode ser convencional, exigindo a presença diária para coletar os dados, ou automática, onde a coleta dos dados é automatizada e um sistema de aquisição de dados possibilita o armazenamento e a informatização dos dados. A estação meteorológica automática tem como principal vantagem o registro contínuo podendo o usuário programar os intervalos da saída de dados, por exemplo, configurar a aquisição para que seja realizada a cada segundo e o armazenamento das médias a cada hora (PEREIRA et al., 2007).

Figura 1: Estação meteorológica automática.

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Nas estações automatizadas é usado um datalogger para controlar todo o sistema de aquisição, comunicação e processamento de dados. Dentro desta categoria também existe a PCD (plataforma de coleta de dados), que consiste em um sistema automatizado de monitoramento o qual é alimentado diretamente pela rede elétrica ou através de painéis fotovoltaicos, a principal característica da PCD é que ela está diretamente conectada a computadores e satélites, para onde os dados são transmitidos e armazenados (BISCARO, 2007).

O conceito de Internet das Coisas ou IoT (sigla do inglês, Internet of Things) é uma nova visão para a internet onde não só os computadores fazem parte da rede, mas também os objetos do nosso cotidiano. Abrange comunicações entre os mais diversos equipamentos ou objetos (FACCIONI FILHO, 2016). De acordo com Hiner (2013), a IoT não é necessariamente uma nova tecnologia, mas sim um novo caminho no qual a internet está tomando.

A seguir, na Figura 2, podemos visualizar o escopo da IoT, onde uma rede complexa de objetos e serviços são conectados à “nuvem” da rede mundial de computadores, a internet.

Figura 2: Escopo da Internet da Coisas.

Fonte: Faccioni Filho (2016).

Segundo Minerva, Biru e Rotondi (2015), a IoT compreende uma rede que interconecta “coisas” à internet por meio de protocolos de comunicação normatizados. As “coisas” têm representação no mundo digital, capacidade de sensoriamento e/ou atuação, funcionalidade de programação e identificação única. Além disso, o objeto da IoT provê serviços como coletas de

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dados, comunicação e atuação. Esses serviços se dão por meio de interfaces inteligentes e de qualquer lugar, a qualquer tempo e com segurança.

Atualmente, diversos fabricantes de equipamentos eletrônicos estão trabalhando em projetos para desenvolver dispositivos com funcionalidades de um objeto da IoT. Há uma variedade de soluções sugeridas, aparecendo também novos conceitos e expressões como smart city, smart energy, smart health, entre outras, todas relacionadas com “objetos inteligentes”, que trazem avanços e mudanças significativas no contexto social e dos negócios (FACCIONI FILHO, 2016).

Segundo Minerva et al. (2015), diversas organizações estão se dedicando a criação de padrões, normas internacionais para a IoT, entre essas organizações tem-se: o IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers, a ITU - International Telecommunications Union e o W3C - World Wide Web Consortium. Em um futuro próximo, muitas dessas normas irão guiar os caminhos da IoT.

As aplicações da IoT são diversas. De acordo com a Internet Society (ISOC), várias empresas já estão trabalhando em pesquisa e análise da IoT no mercado mundial, a Huawey, uma das maiores fornecedoras de equipamentos para redes e telecomunicações do mundo, prevê 100 bilhões de dispositivos conectados à IoT no ano de 2025. Dentro das várias aplicações da IoT, a ISOC considera alguns cenários específicos como: seres humanos, residências, comércio, indústrias, escritórios, transportes, cidades e ambientes rurais, este último relacionado ao monitoramento de espaços abertos, clima e geolocalização (ROSE; ELDRIDGE; CHAPIN, 2015).

Dentro do escopo da produção agrícola, alguns estudos apontam que a aplicação da IoT aumentaria a produção global de alimentos em 70%, com impacto positivo até 2050, no qual a população é estimada em 9,5 bilhões de pessoas (BING, 2016).

3 METODOLOGIA

A metodologia do trabalho se baseou em pesquisa bibliográfica, aplicada e experimental. A pesquisa bibliográfica foi uma das etapas deste trabalho e segundo Pizzani et al. (2012) é uma revisão da literatura sobre as principais teorias que norteiam o trabalho científico, a qual pode ser realizada em livros, periódicos, artigo de jornais, sites da internet e demais fontes de informação; conforme foi realizado neste estudo. Além disso, o trabalho concentra-se em torno de um problema e empenhou-se em elaborar uma solução para responder a uma determinada demanda, sendo assim uma pesquisa aplicada de acordo com Thiollent (2009).

No primeiro momento foi realizada uma revisão da literatura sobre o tema e foram levantadas as tecnologias já desenvolvidas no âmbito da engenharia agrícola para monitoramento ambiental.

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No segundo momento, com base no levantamento bibliográfico, considerando as tecnologias para monitoramento ambiental, foi proposto um modelo para aplicação real, o qual deu origem ao protótipo desenvolvido.

O modelo proposto consiste em um sistema eletrônico embarcado provido de sensores que permitem coletar dados de temperatura, umidade, iluminância, radiação ultravioleta e pressão atmosférica, variáveis relevantes para aplicações de meteorologia agrícola; além de possibilitar o envio dos dados para uma plataforma online de armazenamento. A seguir, na Figura 3, podemos ver o modelo proposto.

Figura 3: Proposta de arquitetura do sistema de monitoramento.

Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Sensor 5

Unidade de Processamento e Controle (Microcontrolador)

Módulo de Comunicação

(WiFi) Plataforma de armazenamento (online)

Dados

Fonte: Elaborado pelo autor.

Após a revisão bibliográfica sobre as tecnologias aplicadas à agricultura e agrometeorologia, uma pesquisa foi realizada para definir quais sensores e componentes poderiam ser utilizados na construção do modelo da estação agrometeorológica de baixo custo sugerido neste trabalho.

Dentre as placas de desenvolvimento utilizadas para monitoramento e controle eletrônico, a plataforma Arduino foi a escolhida, por apresentar baixo custo de aquisição e ser uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre, tendo bastante documentação aberta, assim facilitando a programação e utilização nos mais diversos projetos. Apesar da plataforma Arduino não possuir conexão à internet nativa, é possível utilizar um módulo de comunicação WiFi para envio dos dados à web. Os sensores adotados para construção do protótipo foram escolhidos levando em consideração o custo e a facilidade de encontrá-los no mercado.

Além dos sensores e componentes eletrônicos para montagem do protótipo do sistema de medição, o qual podemos chamar de estação agrometeorológica experimental, uma plataforma de

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aquisição de dados para Internet das Coisas foi utilizada para enviar os dados processados no Arduino obtidos através dos sensores.

A plataforma de aquisição de dados aplicada foi o ThingSpeak, uma plataforma de IoT que permite agregar, visualizar e analisar fluxos de dados em tempo real na nuvem, ou seja, possui armazenamento online. Nesta plataforma é possível enviar os dados a partir de um dispositivo, criar visualização instantânea dos dados e emitir alertas. Neste trabalho utilizamos a versão gratuita do ThingSpeak, que apesar das limitações é satisfatória para análise inicial de viabilidade do sistema.

Entre os materiais utilizados temos: os sensores (Figura 4) de luminosidade TSL2561, de radiação ultravioleta UVM-30A, de umidade e temperatura DHT11, de pressão barométrica BMP280; o módulo de comunicação WiFi ESP8266/ESP-01; além da placa de desenvolvimento Arduino NANO. Na Figura 5 podemos visualizar a placa de desenvolvimento e o módulo de comunicação utilizados.

O protótipo desenvolvido foi alimentado através de duas fontes, uma para alimentação do Arduino NANO, de 5V e 1A, modelo similar ao utilizado em alguns carregadores de smartphones, e outra para alimentação dos sensores e módulo de comunicação WiFi, de 3,3V e 1A, adaptada a partir de uma fonte de 5V e 1A. Alguns sensores e módulo de comunicação WiFi requerem o nível de tensão de 3,3V para funcionamento e o ESP8266/ESP-01 frequentemente demanda correntes mais altas, por isso a necessidade de alimentação separada do Arduino.

Figura 4: Sensores utilizados: (a) TSL2561, (b) DHT11, (c) BMP280 e (d) UVM-30A.

(a) (b) (c) (d)

Fonte: https://www.filipeflop.com

Figura 5: (a) Arduino NANO e (b) módulo de comunicação WiFi ESP8266/ESP-01.

(a) (b)

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A seguir (Figura 6) temos o protótipo desenvolvido, onde os componentes eletrônicos, módulos, microcontrolador e sensores foram montados em uma protoboard.

Figura 6: Protótipo da estação agrometeorológica.

Para realização do teste e coleta de dados, o sistema foi colocado em ambiente aberto (ao ar livre), os sensores de luminosidade e radiação ultravioleta foram dispostos na posição de 180° em relação ao solo e a alimentação foi feita através de uma extensão elétrica para ligação das fontes de alimentação, além disso, foi conferido se o sinal da rede de internet sem fio WiFi estava disponível no local do experimento de teste para que houve conexão para envio dos dados à plataforma de aquisição online.

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os dados de medição dos sensores foram enviados à plataforma de aquisição ThingSpeak, e no decorrer do experimento foram também monitorados em tempo real. Notou-se que a taxa de recebimento dos dados (o intervalo entre uma medição e outra recebida) foi, em média, 15 segundos.

Na plataforma ThingSpeak podemos observar os dados através da página de monitoramento e há possibilidade de compartilhar de forma privada ou pública. Na Figura 7 temos a visualização dos últimos dados medidos pelo protótipo de índice UV, iluminância e pressão atmosférica.

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Figura 7: Tela de monitoramento do ThingSpeak mostrando índice UV, iluminância e pressão atmosférica, obtidos pela estação desenvolvida.

Os testes de medição foram realizados em três momentos (períodos de análise) do dia 15/02/2020, de 09:45 às 10:20, de 11:50 às 12:25 e de 15:00 às 17:25, horário local de Fortaleza.

Após realizar o teste de monitoramento, os dados obtidos pela plataforma de aquisição online foram exportados para uma planilha, a partir da planilha foram gerados alguns gráficos para verificação e análise.

Foram analisados os gráficos de temperatura e umidade, os quais serão mostrados nas figuras a seguir.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p. 58855-58869 aug. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 8: Temperatura e umidade para o primeiro período de análise.

Figura 9: Temperatura e umidade para o segundo período de análise.

Tendo em vista que são dados fornecidos pelo mesmo sensor DHT11 e são variáveis bastante comuns para avaliação e monitoramento do clima, foi feita uma comparação com os dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). Para isso foi necessário fazer uma média dos valores obtidos. 1 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 9:48:58 AM 9:56:10 AM 10:03:22 AM 10:10:34 AM 10:17:46 AM Temperatura (°C) Umidade (%) 1 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11:52:48 AM 12:00:00 PM 12:07:12 PM 12:14:24 PM 12:21:36 PM Temperatura (°C) Umidade (%)

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p. 58855-58869 aug. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 10: Temperatura e umidade para o segundo período de análise.

A média para temperatura e umidade obtida no site do INMET para cidade de Fortaleza no dia (15/02/2020), que foi realizado o teste experimental com o protótipo, pode ser vista na figura a seguir.

Figura 11: Dados meteorológicos da cidade de Fortaleza.

Fonte: http://www.inmet.gov.br/

Como podemos observar, a temperatura média foi 28,8°C e a umidade foi 86%, segundo o INMET. Já considerando os dados do protótipo, a média para temperatura foi 30,15°C e a umidade foi 79,27%. Lembrando que a localização da estação deve ser levada em consideração, tendo em

1 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2:58:34 PM 3:27:22 PM 3:56:10 PM 4:24:58 PM 4:53:46 PM 5:22:34 PM Temperatura (°C) Umidade (%)

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vista que as condições de temperatura e umidade podem ser distintas para regiões diferentes de uma mesma cidade. Além disso, não foram considerados dados noturnos para o protótipo.

O índice UV (escala de 0 a 11), que é um padrão internacional de medição de intensidade de raios ultravioleta, aprovado pela Organização Mundial da Saúde pela e Organização Meteorológica Mundial, foi medido com o protótipo pelo sensor UVM-30A e apresentou bastante variação dependendo do horário e das nuvens.

A seguir temos um gráfico que mostra a iluminância (quantidade de luz) medido pelo sensor TSL2561 e o índice UV, ambos medidos pelo protótipo para o primeiro período de análise.

Figura 12: Índice UV e iluminância para o primeiro período de análise.

A pressão atmosférica ao nível do mar é 760 mmHg ou 1 atm, esse valor corresponde a 101325 Pa. Os valores para pressão atmosférica (sensor BMP280) obtidos para o primeiro período de análise podem ser vistos no gráfico a seguir.

Figura 13: Pressão atmosférica para o primeiro período de análise.

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12:18:26 PM12:19:09 PM12:19:52 PM12:20:36 PM12:21:19 PM12:22:02 PM12:22:45 PM Il u m in â n ci a Ín d ice U V

Índice UV Iluminância (lux)

101020 101040 101060 101080 101100 0 12:18:26 PM 12:19:09 PM 12:19:52 PM 12:20:36 PM 12:21:19 PM 12:22:02 PM 12:22:45 PM

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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Para fins de uso na agrometeorologia, os dados aqui medidos poderão ser tratados das mais variadas formas, seja considerando a média diária para cada uma das variáveis, apontando os máximos e mínimos ou verificando os horários de maior incidência de iluminação solar ou radiação ultravioleta, isso vai depender da atividade agrícola ou cultura produtiva. Todas essas informações podem ser obtidas através da plataforma de aquisição de dados online que armazena os dados coletados através da estação experimental (protótipo).

Levando em consideração o custo para desenvolvimento do sistema, apresenta-se como uma solução de baixo custo se comparado com as estações meteorológicas comerciais. Mas é claro que também há limitações e possíveis erros de medição. Porém, para pequenos produtores pode ser uma solução prática para monitorar seu ambiente produtivo e de certa forma nortear o planejamento de sua cultura ou sua rotina de trabalho.

Muitas melhorias e novas funcionalidades podem ser ainda empregadas nesta estação. Como sugestão para trabalhos futuros há a possibilidade de utilizar sistemas fotovoltaicos para alimentação da estação e a aplicação de sistemas microcontrolados de menor consumo de energia, bem como possibilitem o envio de dados a distância maiores utilizando protocolos de comunicação como o LoRa.

REFERÊNCIAS

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