Um Simulador em Tempo Real para Manejo do Solo na
Agricultura de Precisão
Túlio Quixabeira Milhomem, Luis Godinho Júnior, Madianita Bogo, Gonzalo Álvaro Vazquez Fernandez
Curso de Sistemas de Informação – Centro Universitário Luterano de Palmas (CEULP) Palmas, TO, Brasil
quixabeira@ulbra-to.br, lgodinhojr@uol.com.br, mbogo@ulbra-to.br, gonzalo@ulbra-to.br
Resumo. Este artigo apresenta uma aplicação em tempo real na agricultura
de precisão, no qual é proposta a implementação de um simulador para controle espacial e temporal na aplicação de fertilizantes e manejo do solo. A aplicação será executada sobre o sistema operacional RT-Linux..
1 Introdução
Atualmente, a utilização de aplicações em tempo real é um importante campo de estudo, tanto no meio acadêmico quanto em empresas comerciais. Esse tipo de aplicação é cada vez mais comum em situações que necessitam de restrição temporal, como: programas hospitalares, controle de tráfego aéreo, trens, metrôs, agricultura, sistemas de navegação, controladores inteligentes embutidos, entre outros [Farines et al. 2000].
A agricultura de precisão surgiu da crescente necessidade do aumento da produção e da otimização da agricultura. Através de observação, pesquisa e análise, obtém-se informações dos fatores que causam a variabilidade entre cada área do solo, possibilitando um melhor conhecimento do campo de produção, auxiliando na tomada de decisões e com isso conseguindo resultados uniformes [Cappelli, 2001].
Esse artigo aborda uma aplicação em tempo real, que executará sobre o sistema operacional RT-Linux, utilizada para controle espacial e temporal da aplicação de fertilizantes, para a preparação do solo em uma determinada área. Como não há disponibilidade de equipamentos para efetuar os testes na prática, a proposta é construir a ferramenta e efetuar simulação das entradas de informações pelo GPS e equipamento de vazão de insumos.
O presente trabalho está divido da seguinte forma: a seção 2 introduz o conceito de tempo real, apresentando uma noção geral sobre o assunto; a seção 3 apresenta uma abordagem geral sobre o sistema operacional de tempo real RT-Linux; a seção 4 trata da agricultura de precisão, enfocando seu campo de atuação e suas principais vantagens; a seção 4 descreve a implementação de um simulador em tempo real para o manejo do solo, descrevendo seu funcionamento básico.
2 Tempo Real
Sistemas de Tempo Real diferem dos sistemas convencionais, “não Tempo Real”, por possuírem um conjunto mínimo de primitivas, que fazem com que os processos sejam executados instantaneamente. No âmbito da vida cotidiana, as aplicações em tempo real mais presentes estão no campo das telecomunicações e nas aplicações multimídia. A utilização desse tipo de aplicação, porém, se torna cada vez mais importante em outras áreas. A rapidez de cálculo visa ao melhor desempenho de um sistema computacional, minimizando o tempo de resposta médio de um conjunto de tarefas.
O uso de sistema operacional de tempo real é indicado para controle ou monitoramento de sistemas físicos, dispositivos como: um motor, um telescópio, ou qualquer outro instrumento de característica eletrônica ou eletro-mecânica [Lara, 2002].
Existem três tipos de sistemas de tempo real: [Farines et al. 2000]
?? Hard – sistemas nos quais os intervalos devem ser rigidamente respeitados.
?? Soft - sistemas em que pequenos atrasos não comprometem totalmente o resultado final.
?? Firm - sistemas nos quais o resultado fica um pouco degradado em virtude de pequenos atrasos.
3 RT Linux
O RT Linux (Real Time Linux) consiste em um sistema operacional no qual o seu núcleo (kernel) trabalha de forma integrada com o núcleo de sistemas operacionais Linux convencionais. Esse sistema é uma variação do Linux, sendo acrescentado o suporte à execução de sistemas de tempo real [Ripoll, 1998].
Um sistema é considerado de tempo real quando é executado considerando restrições de tempo [Lara, 2002], por isso, no RT Linux os processos que realizam tarefas em tempo real têm maior prioridade em relação aos demais processos que estão executando na máquina, sendo que processos comuns serão executados apenas quando não existirem tarefas de tempo real para serem concluídas.
Para reduzir as modificações no núcleo convencional, o núcleo tempo-real foi implementado com uma emulação de hardware para controle de interrupção. Desta forma, quando o Linux desabilitar as interrupções, o software emulador irá enfileirar as interrupções que foram passadas pelo núcleo tempo real [Figueiredo, 2002]. Conforme ilustrado na Figura 1.
Figura 1. Kernel do RT Linux [Figueiredo, 2002]
O RT Linux esta sendo utilizado cada mais, e a divulgação que vem sendo feita sobre este (kernel) não deixa duvida do sucesso que fará em um futuro próximo, principalmente por ser free (software livre).
4 Agricultura de Precisão
Na agricultura é cada vez maior a necessidade do aumento da capacidade de produção. Esse aumento vem sendo conseguido com a mecanização das lavouras, com a utilização de novas técnicas e com a agricultura em grande escala.
Normalmente as áreas utilizadas para plantios são trabalhadas de forma homogênea, utilizando a média de toda a área como base para aplicação de insumos – fertilizantes, defensivos, água, entre outros. Assim, a mesma formulação e quantidade de insumos é utilizada para toda uma grande área de solo, desconsiderando as particularidades de cada parte [Fundação ABC, 2000].
A agricultura de precisão busca enfocar a variabilidade espacial e temporal de determinadas áreas do solo, trabalhando com as necessidades de manejo, insumos e culturas do solo, de cada uma dessas áreas, durante todo o processo de produção. Para isso é necessária a utilização de novas tecnologias avançadas, para a obtenção e interpretação de grande quantidade de informações sobre o processo produtivo. Sendo assim, as necessidades específicas de cada parte do solo, dentro de uma grande área, poderão ser atendidas [Cappelli, 2001].
As principais motivações para a utilização da agricultura de precisão são:
?? preservar do meio ambiente, pois a aplicação de insumos será direcionada, sendo que serão verificados as quantidades e os locais corretos, evitando danos ambientais por excesso de adubação;
?? aumentar a margem de lucro, evitando desperdícios na aplicação dos insumos, principalmente fertilizantes e agroquímicos.
Figura 2. Ciclo da Agricutura de Precisão [ABC 2002]
4.1 Mapeamento do Solo
O mapeamento do solo é realizado através da coleta de amostras ou de observação de fenômenos, de modo sistemático e geo-referenciado [Fundação ABC, 2000].
É pelo mapeamento do solo, a partir de informações obtidas por aparelhos e sensores, em tempo real ou não, que serão determinadas a melhor dosagem de insumos, água e outros, em posições específicas do solo. Assim, existe um mapa com informações coletadas, contendo os valores quantitativos de cada posição, conforme a aplicação a ser efetuada.
5 Um Simulador em Tempo Real para o Manejo do Solo
Como forma de demonstrar a eficiência do processamento em tempo real, propomos a implementação de um simulador que poderá ser aplicado em várias situações do manejo do solo, como, por exemplo, a aplicação de fertilizantes. Esse simulador será executado sobre o sistema operacional RT-linux e trabalhará com dados obtidos anteriormente da base Cartográfica Oficial (IBGE) via mesa digitalizadora.
Inicialmente será efetuado um mapeamento do solo, com as posições representadas em coordenadas x e y, e suas respectivas resoluções1, que indicam a localização do trator ou outra máquina agrícola, dentro da área a ser trabalhada, como mostra a Figura 3.
1
Distância entre cada ponto X e Y. y
Figura 3. Mapa do solo com posição em coordenadas [ABC 2002]
Os dados do mapeamento serão armazenados em um arquivo tipo texto, indicando a situação específica do solo, de cada posição da área mapeada, com suas particularidades, e não como um todo. Outro arquivo texto armazenará os indicadores de insumos necessários para as situações possíveis.
O simulador irá efetuar a leitura de arquivos tipo texto, onde estarão representadas as posições geográficas, índices agronômicos e o tamanho da abertura de vazão do produto, que indica a quantidade necessária de insumo que deverá ser aplicada em cada parte do solo. Como exemplo do simulador utilizaremos a aplicação de fertilizantes, na qual é levado em consideração o levantamento do PH do solo, realizado por especialistas da área. Assim, será possível avaliar a necessidade específica de adubação para cada área do mapa, através da análise da posição nas coordenadas x, y, como mostrado na Figura 4.
x y Baixo (<6 mg/dm³) Médio (16 - 40 mg/dm³) Alto (>80mg/dm³) PH solo
Figura 4. Mapa PH do solo [ABC 2002]
A aplicação fará a simulação através da leitura contínua de um arquivo com a posição das coordenadas, simulando o caminho percorrido por um trator equipado com um aparelho de GPS2 e com um notebook contendo a aplicação em Tempo Real.
A Figura 5, mostra o formato do arquivo que conterá as coordenadas, no qual a primeira coluna representará os valores de X, e a segunda coluna os valores de Y.
Figura 5. Arquivo com as coordenadas X e Y
A Figura 6 mostra o exemplo do arquivo texto que conterá o cabeçalho com os seguintes dados:
?? número de colunas; ?? número de linhas;
?? posições X1 e Y2, que marcam o início e o fim da grade nas coordenadas X, Y, com suas respectivas resoluções;
?? um valor impossível de acontecer (campo nodatavalue representa um índice agronômico nulo);
?? início do índice agronômico (INFO_END) ; ?? término do índice agronômico (END).
2
Sistema de Posicionamento Global é um sistema de navegação baseado em satélites, que fornece as coordenadas geográficas (longitude, latitude e altitude), de qualquer ponto localizado na terra.
INFO_END 783932.750369 8853355.403367 783988.033885 8853330.739064 784003.533787 8853278.219182 784009.255450 8853200.566191 784009.787353 8853142.925926 784037.822257 8853087.990100 784051.004793 8853015.403399 784021.415689 8852967.571157 END
Figura 6. Arquivo com dados da grade do solo
Efetuando uma leitura no arquivo que representa o caminho do trator, Figura 5, o simulador obterá as coordenadas X e Y, e verificará o índice agronômico para a área em questão, fazendo uma pesquisa no arquivo com a grade do solo, Figura 6. De posse da posição e do índice agronômico, efetuará a comparação com a posição informada pelo GPS, para encontrar o índice agronômico da área em questão, através de uma comparação entre o índice obtido e a quantidade apresentada no arquivo que possui os valores para a abertura dos bicos de vazão, Figura 7. Por fim, o simulador envia o sinal para o controlador dos bicos, informando a abertura necessária para o local atual.
Figura 7. Arquivo com valores para abertura dos bicos de vazão
A simulação será visualizada na tela, que apresentará uma grade de linha por coluna conforme os dados do arquivo da Figura 6, na qual um sinal se deslocando representará o trator em movimento, e ao lado da grade uma legenda informará a abertura do bico de vazão.
6 Considerações Finais
Neste trabalho foram apresentados alguns conceitos sobre o processamento de tempo real, seu funcionamento, áreas de aplicação e, por fim, foi descrita uma proposta de uma aplicação
<indice_inicial> <indice_final> <abertura>
280.000000 370.000000 A
371.000000 450.000000 B
451.000000 540.000000 C
541.000000 640.000000 D
// <ncols> <nlins> <X1> <Y2> <resX> <resY> <nodatavalue>
40 28 780000.000000 8866000.000000 1000.000000 1000.000000 3.400000000e+037 INFO_END 368.620331 320.000000 422.210175 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 623.552917 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 314.574524 320.598480 329.999664 331.547760 311.972961 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 504.154602 543.462952 581.737061 600.000000 600.000000 631.174377 600.000000 600.000000 625.664185 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 280.000000 311.737488 317.277924 318.084595 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 290.601807 528.428101 600.000000 600.000000 600.000000 631.082642 641.735352 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 600.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 280.000000 END
prática. Também foi mostrada a oportunidade de integração entre a engenharia agrícola e a informática para a aplicação de novas tecnologias para a agricultura.
Como resultado dos estudos, observamos que aplicações de processamento em tempo real e a utilização da agricultura de precisão vêm crescendo gradativamente e podem beneficiar os resultados da produção agrícola, para melhor aproveitamento dos recursos.
Mesmo assim, uma das dificuldades encontradas em pesquisas nessa área é a falta de equipamentos para a coleta de informações na utilização de processamento em tempo real. Por isso, o simulador apresentado nesse trabalho foi projetado para demonstrar os benefícios desse tipo de aplicação e a importância de estudos nessa área, dando uma idéia de como seria realizado o processo, sem a utilização de equipamentos caros para isso.
Futuramente, com a aquisição de equipamentos próprios, essa aplicação poderia ser modificada e utilizada na prática, e não apenas como um demonstrativo.
Referências
[Farines et al. 2000] Farines, Jean-Marie and Fraga, Joni da S. and Oliveira, Rômulo S. “Sistemas de Tempo Real”, Escola de Computação, São Paulo, 2000.
[ABC, 2000] ABC, Fundação. “Agricultura de Precisão”, http://www.fundacaoabc. com.br/agric_prec/agriculturaprecisao1.htm, acessado em Setembro, 2000.
[Cappelli, 2001] Cappelli, Nelson Luis. “Agricultura de Precisão - Novas Tecnologias para o processo produtivo”, http://www.inf.urfgs.br/pos/SemanaAcademica/ Semana99/joseotavio/joseotavio.htm, acessada em Setembro, 2002.
[Figueiredo, 2002] Figueiredo, José Otávio Coutinho. “Comunicação de grupo confiável em tempo-real para o sistema operacional RT-Linux”, http://www.inf.ufrgs.br/pos/ SemanaAcademica/Semana99/joseotavio/joseotavio.htm, acessada em Setembro, 2002. [Ripoll, 1998] Ripoll, Ismael. “KU Real Time Linux”, http://www.tldp.org/
linuxfocus/Portugues/July1998/article56.html, Agosto, 1998.
[Lara, 2002] Lara, Natalina. “Sistemas de Tempo Real”, http://www.inf.uri.com.br/ formandos /natalina.htm, acessada em Setembro, 2002.
