CONTROLADOR DE BAIXO CUSTO PARA IRRIGAÇÃO DE PRECISÃO
F. R. Miranda1, R. E. Yoder2 E J. B. Wilkerson2RESUMO: O estudo teve por objetivos desenvolver e testar um controlador de irrigação de baixo custo para aplicação espacialmente variável de água em sistemas fixos de irrigação, utilizando o conceito de controle distribuído. O sistema de controle distribuído utiliza um controlador de irrigação autônomo, equipado com um painel solar, para controlar a irrigação de cada unidade de manejo, eliminando a necessidade de conexões via cabo entre as unidades de controle. A metodologia do estudo compreendeu o desenvolvimento do controlador (hardware e software) e a avaliação de sua performance para o controle da irrigação de tambores cultivados com grama bermuda. Cada controlador utiliza uma válvula solenóide para controlar o fluxo de água para a unidade de manejo com base em medições de três sensores do potencial matricial do solo. O controlador de irrigação provou ser efetivo para manter o potencial matricial do solo na zona radicular próximo a um nível predeterminado. Comparado a sistemas centralizados de controle, o sistema proposto apresenta como potenciais vantagens a redução dos custos com cabeamento, menor risco de falhas causadas por descargas elétricas e operações mecanizadas e maior flexibilidade.
PALAVRAS-CHAVE: microirrigação, aplicação variável de água, controle distribuído.
ABSTRACT: The objective of this study was to develop and test a low-cost irrigation controller for
site-specific irrigation of fixed irrigation systems, using the distributed control concept. The system uses one autonomous irrigation controller equipped with a solar panel, to control the irrigation of each management zone, minimizing maintenance and eliminating hard-wire connections among control units. The study methodology involved system design (hardware and software), experimental implementation, and performance evaluation for controlling irrigation of soil containers with bermuda grass. Each controller uses a latching solenoid valve to control the amount of water applied to each specific zone of a field based on soil matric potential measurements. The irrigation control system proved to be effective in maintaining the soil water potential in the root zone close to a predetermined set point. Advantages of the control system compared to centralized control systems include significant reduction in wiring costs, lower risk of system shut down caused by electrical storms and mechanical damage, and higher flexibility.
KEYWORDS: microirrigation, site-specific irrigation, distributed control.
INTRODUÇÃO: A aplicação espacialmente diferenciada de água ou irrigação de precisão permite maximizar a produtividade e a eficiência de uso da água em solos com variação espacial da disponibilidade hídrica. A maioria dos sistemas de irrigação com aplicação espacialmente variável desenvolvidos até o momento utilizam equipamentos móveis, tais como pivôs centrais ou sistemas lineares (Fraisse et al., 1995a e 1995b; McCann et al., 1997; King et al., 1999, Sadler et al., 2000). O controle da irrigação espacialmente variável para sistemas fixos, tais como microirrigação e aspersão fixa, requer uma rede capaz de controlar um grande número de sensores e válvulas, a fim de manejar a irrigação de pequenas áreas do campo. Isso pode ser alcançado com o uso de sistemas de controle centralizado ou controle distribuído. O controle centralizado, com sensores e atuadores no campo e um controlador central na maioria dos casos é caro e de difícil manutenção, especialmente para o manejo
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Pesquisador, Embrapa Agroindústria Tropical, Fortaleza, CE, (085) 299.1912, e-mail: fabio@cnpat.embrapa.br
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distribuídos, por outro lado, possuem válvulas e controladores próximos à cultura e apresentam como vantagens sobre os sistemas centralizados menores gastos com cabeamento, instalação e manutenção mais simples. No entanto, o controle distribuído requer maior número de unidades de controle, somente sendo economicamente viável com controladores de baixo custo e baixo consumo de energia. Este estudo teve como objetivos desenvolver e testar um controlador de irrigação de baixo custo para aplicação espacialmente variável de água em sistemas fixos de irrigação.
MATERIAL E MÉTODOS: O controlador de irrigação foi projetado para manejar autonomamente, em tempo real a irrigação de uma unidade de manejo no campo dentro do conceito de controle distribuído. Cada controlador consiste basicamente de um microprocessador (Basic Stamp 2, Parallax, Inc.), um contador de tempo, um dispositivo para armazenamento de dados e um conversor analógico digital (Fig. 1). Para monitorar em tempo real a temperatura e o potencial matricial do solo na zona radicular utilizaram-se um termistor e três sensores do tipo Watermark modelo 200SS (Irrometer Co.). Visando minimizar o consumo de energia, utilizou-se como atuador uma válvula solenóide tipo latching (Rain Bird DV-100-SS TBOSPSOL) para controlar o fluxo de água para a unidade de manejo. A pressão hidráulica no sistema de irrigação também é monitorada pelo controlador utilizando-se um sensor de pressão (MPX5700GP, Motorola, Inc.). O controlador foi programado para manter o potencial matricial do solo na zona radicular da cultura entre a capacidade de campo e um potencial predeterminado. As leituras dos sensores podiam ser armazenadas em um chip de memória não-volátil, com capacidade de 32 kbytes por até 30 dias, até serem ser transferidos para um computador portátil. Visando eliminar a necessidade de fontes externas de energia e eliminar as conexões via cabo entre as unidades de controle, o controlador de irrigação utilizava como fonte de energia um painel solar de 5W de potência e uma bateria de 1.2 Ah (Fig. 2). O controlador foi utilizado para manejar automaticamente a irrigação de três tambores de 0,5 m de diâmetro e 0,8 m de profundidade, preenchidos com solo franco-siltoso e plantados com grama bermuda, e sua performance quanto ao controle em tempo real do potencial matricial do solo foi avaliada. Na irrigação dos tambores utilizou-se um gotejador por tambor, com vazão de 2,0 L h-1, para uma pressão de operação de 100 kPa. Em cada tambor foi instalado um sensor Watermark na profundidade de 0,20 m e 0,15 m de distância lateral do gotejador. O termistor foi instalado em um dos tambores, na mesma profundidade do sensor Watermark. O controlador foi programado utilizando a linguagem PBASIC2 (Parallax Inc.), para medir a temperatura do solo, o potencial matricial do solo e a pressão na linha principal do sistema de irrigação a cada 15 minutos. As irrigações eram iniciadas sempre que dois dos sensores Watermark indicavam que o potencial matricial estava mais negativo que um potencial predefinido (-15 kPa), e a pressão na linha principal estava acima de 140 kPa. As irrigações terminavam quando dois dos sensores indicavam que o potencial matricial do solo estava menos negativo que – 15 kPa, ou a pressão na linha principal era menor que 140 kPa. A avaliar o funcionamento adequado do controlador de irrigação, o potencial matricial do solo também foi monitorado por tensiômetros equipados com sensores de pressão (MPX5700DP, Motorola, Inc.). Em cada tambor foram instalados dois tensiômetros, um na profundidade de 0,20 m e 0,15 m de distância lateral do gotejador e outro na profundidade de 0,50 m, no centro do tambor. Um datalogger 21X (Campbell Scientific) foi utilizado para medir e armazenar as leituras dos tensiômetros. No fundo dos tambores foi colocada brita até a profundidade de 0,10 m e aberto um orifício, por meio do qual o excesso de água podia ser coletado e medido. Foram adotados dois critérios para avaliar a efetividade do controlador de irrigação: a) o potencial matricial na zona radicular deveria ser mantido menos negativo que o potencial limite mais um fator de tolerância de 20% (-18 kPa) por pelo menos 90% do tempo; e b) o volume total de água drenada dos tambores não poderia exceder a 5% do volume total de água aplicado nas irrigações.
CONTROLADOR - MicrocontroLADOR - Relógio - Memória não-volátil - Interface analógica - bateria Válvula solenóide tipo latching Alarme Painel solar Sensor de potencial matricial do solo Sensor de temperatura do solo Sensor de pressão n
Figura 1. Diagrama do controlador de irrigação.
Figura 2. Controlador de irrigação (A) e o aparato utilizado para sua avaliação (B).
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Na Figura 3 é apresentada a variação diária do potencial matricial do solo na zona radicular da grama bermuda ao longo de 47 dias, de acordo com as leituras dos sensores Watermark, realizadas pelo controlador de irrigação, e de acordo com as leituras dos tensiômetros. Durante todo o período avaliado o controlador de irrigação operou sem interrupções, registrando as leituras dos sensores e acionando a válvula solenóide quando necessário, de acordo com as instruções do programa. As leituras dos sensores Watermark mostraram que o potencial matricial do solo foi adequadamente controlado durante todo o período avaliado, sendo mantido menos negativo que –18 kPa durante 100% do tempo. As leituras dos tensiômetros na profundidade de 0,20 m confirmaram a manutenção do potencial matricial do solo pelo controlador de irrigação próximo ao potencial predeterminado. As leituras dos tensiômetros indicaram que o potencial matricial do solo permaneceu menos negativo que –18 kPa durante 98% do tempo. Comparados aos sensores
e registraram leituras mais negativas em conseqüência da extração de água pelas raízes da grama. No entanto, o potencial matricial médio registrado pelos sensores Watermark e pelos tensiômetros na profundidade de 0,20 m foi similar (Tabela 1). Durante o período avaliado os tambores foram irrigados 35 vezes pelo controlador de irrigação, com aplicação de um volume total de água de 97 litros por tambor. Não houve drenagem de água no fundo dos tambores em conseqüência de excesso de irrigação. O tempo de resposta dos sensores Watermark à frente de molhamento foi curto o suficiente para evitar que a aplicação de água atingisse camadas mais profundas do solo. De fato, de acordo com as leituras dos tensiômetros na profundidade de 0,50 m, o potencial matricial do solo naquela profundidade diminuiu do dia 216 até o dia 236, provavelmente devido à extração de água pelas raízes da grama abaixo da zona de controle. No dia 236 foi registrada uma precipitação de 27 mm que fez com que o potencial matricial do solo em todo o perfil se tornasse menos negativo. Em janeiro de 2003 o custo de construção de uma unidade do controlador de irrigação era de aproximadamente U$190, incluindo o painel solar e a bateria. Para uma unidade de manejo o custo total, incluindo o controlador de irrigação, os sensores e a válvula solenóide tipo latching era de U$310.
CONCLUSÕES: Os resultados desse estudo permitiram concluir que: a) o controlador de irrigação operou sem falhas durante todo o período em que foi avaliado, monitorando com sucesso o potencial matricial do solo; b) o controlador de irrigação foi efetivo para a manutenção de um potencial matricial do solo na zona radicular próximo a um potencial predeterminado.
-50 -40 -30 -20 -10 0 196 201 206 211 216 221 226 231 236 241 Dia do ano
Potential matricial do solo (kPa)
Sensores Watermark Tensiômetros 0,20 m Tensiômetros 0,50 m
Figura 3. Potencial matricial do solo medido por sensores Watermark
e por tensiômetros.
Tabela 1. Valores médios e máximos do potencial matricial do solo medidos pelo controlador de irrigação (sensoresWatermark
)
e por tensiômetros.Leituras dos Tensiômetros (kPa)
Leituras dos Sensores Watermark (kPa) Prof. = 0,20 m Prof. = 0,50 m Prof. = 0,20 m
Média Máxima Média Máxima Média Máxima
-12.3 -21.6 -12.3 -21.4 -11.5 -18.0
AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem à Universidade do Tennessee, à Embrapa e ao CNPq pelo apoio financeiro para a realização da pesquisa.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
FRAISSE, C.W., DUKE, H.R., HEERMANN, D.F. Laboratory evaluation of variable water application with pulse irrigation. Transactions of the ASAE, St. Joseph, MI, v.38, n.5, p.363-1369. 1995a.
FRAISSE, C.W., HEERMANN, D.F., DUKE, H.R. Simulation of variable water application with linear-move systems. Transactions of the ASAE, St. Joseph, MI, v.38, n.5, p.1371-1376. 1995b. KING, B.A., I.R. MCCANN, C.V., EBERLEIN, STARK, J.C. Computer control system for spatially varied water and chemical application studies with continuous-move irrigation systems. Computers and Electronics in Agriculture. v.24, n.3, p.177-194. 1999.
MCCANN, I.R., KING, B.A., STARK, J.C. Variable water and chemical application for continuous-move sprinkler irrigation systems. Applied Engineering in Agriculture, St. Joseph, MI, v.13, n.59, p.609-615. 1997.
SADLER, E.J., EVANS, R.G., BUCHLEITER, G.W., KING, B.A., CAMP, C.R. Design considerations for site-specific irrigation. NATIONAL IRRIGATION SYMPOSIUM, 4, 2000, Phoenix. Proceedings ..., San Joseph, MI, American Society of Agricultural Engineers, 2000. p.304-315.
TORRE-NETO, A., SCHULLER, J.K., HAMAN, D.Z. Networked sensing and valve actuation for spatially variable microsprinkler irrigation. ASAE Paper No. 001158. ASAE, St. Joseph, MI. 2000.
