As novas tecnologias da informação e comunicação na indústria Agro-Pecuária

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As novas tecnologias da informação e comunicação na indústria Agro-Pecuária

José Boaventura Cunha

CETAV-Centro de Estudos Tecnológicos do Ambiente e da Vida, Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, Dep. Engenharias, 5001-911 Vila Real, Portugal.

jboavent@utad.pt

Resumo

Durante as últimas três décadas os processos agrícolas e a produção animal têm registado melhorias significativas no que diz respeito à intensificação da produção e à gestão das explorações. Este aperfeiçoamento foi possível graças à evolução dos suportes informáticos, tanto em hardware como em software, que permitiram uma resolução cada vez mais eficiente das várias tarefas que estão associadas à gestão das explorações agrícolas modernas. Este desenvolvimento teve início no ano de 1973, no qual ocorreu a crise energética que afectou todos os sectores produtivos incluindo o agrícola, sendo desde essa data gradualmente introduzidas soluções tecnológicas que visaram minimizar o consumo de energia. Por outro lado, o rápido desenvolvimento dos microprocessadores, das técnicas sensoriais e das tecnologias da informação tem contribuído para uma automação mais acentuada do sector agrícola tendo em vista não só o aumento da eficiência como também da segurança alimentar. Este artigo visa contribuir para a divulgação das tecnologias da informação, da electrónica e da comunicação existentes nesta área. Em particular, será dada ênfase à actual tendência de miniaturização dos sistemas de monitorização que utilizam as nanotecnologias. Estes abrem novas perspectivas ao processamento e à comunicação de grandes quantidades de dados que se espera terem grande impacto na agricultura de precisão.

Palavras chave: Agricultura de Precisão, Modelos, Nanotecnologias, Sensores, Transmissão de dados

1. Introdução

Devido à crescente preocupação por parte da população e dos governos com os efeitos do aumento das concentrações de dióxido de carbono na atmosfera, têm-se vindo a implementar medidas nos diferentes sectores económicos com vista à redução do consumo de combustíveis fósseis. Esta tendência começou por se manifestar nas explorações agrícolas, e em particular nas estufas, desde que em 1974, na feira de Bleiswijk na Holanda, se apresentou o primeiro computador comercial para o controlo ambiental de explorações agrícolas. Desde essa data, este sector, e em particular a produção em estufas, sofreu um desenvolvimento considerável não apenas no que se refere à utilização de estratégias de gestão e controlo para um uso mais racional da energia, bem como pela utilização de fontes de energia renováveis.

O desenvolvimento da electrónica permitiu desenvolver e fomentar as aplicações das tecnologias da informação, comunicação e microelectrónica às áreas de: modelação e medida dos processos físicos, biológicos e fisiológicos; controlo óptimo de estufas; sistemas de suporte à decisão na prevenção e combate a doenças nas culturas; sistemas de detecção e caracterização remotos; classificação e recolha automáticas dos frutos baseados em imagem, entre muitos outros, que hoje em dia são frequentemente usados nos países mais desenvolvidos. Neste artigo apresentam-se algumas destas tecnologias que estão a ser aplicadas à agricultura e à produção animal e apontam-se algumas das tendências de desenvolvimento nesta área.

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2. Sistemas sensoriais e nanotecnologias

Os sensores são dispositivos que geram um sinal eléctrico a um estímulo físico. A tecnologia sensorial constitui um elemento essencial ao desenvolvimento de produtos e à prestação de serviços nas mais variadas áreas económicas e dá suporte a uma grande variedade de trabalhos de investigação e de aplicações industriais. Os sistemas sensoriais são uma área tecnológica interdisciplinar que combina as áreas da física, da química, dos materiais avançados e da biologia molecular com a electrónica e o processamento de sinal.

Num futuro próximo, prevê-se que as tecnologias sensoriais irão ter um papel preponderante nos vários sectores económicos e nomeadamente no ambiente, na agricultura e na pecuária.

Durante as duas últimas décadas, houve um grande crescimento do número de serviços e produtos que utilizam de algum modo redes de informação baseadas em sistemas de medida com diferentes tipos de sensores. Actualmente, os governos estão a implementar vários programas que visam, não só, melhorar a qualidade dos produtos e a competitividade económica, como também, os aspectos ambientais e de segurança. Os progressos que se têm registado no domínio da miniaturização dos sensores e dos instrumentos e o desenvolvimento de novos sensores ópticos e bio-sensores, entre outros, contribuirão significativamente para alcançar estes propósitos. É de esperar que os bio-sensores originem durante este século uma revolução nas áreas da biotecnologia, veterinária, entre outras. Os bio-sensores actuais são desenvolvidos com técnicas de micro-implantação relativamente baratas e eficientes, sendo hoje empregues em equipamentos de análise complexos e miniaturizados, num conceito de laboratório em chip, como sejam os micro-arrays de DNA.

É também de referir o crescente interesse na utilização de tecnologias que permitam obter informação sobre os processos fisiológicos e químicos que ocorrem nas plantas. Diversos trabalhos foram publicados em torno deste conceito, designado na literatura anglo-saxónica por speaking plant, onde se visa controlar directamente estes processos ao invés das variáveis de estado, Pee e Berckmans (1996); Shimizu e Yamazaki (1996). Em termos gerais, os estudos descrevem técnicas não destrutivas que permitem obter directa ou indirectamente informação relativa à fotossíntese, potenciais hídricos, fluxos de água e de nutrientes nos caules e distribuição da matéria assimilada. Algumas destas técnicas baseiam-se na digitalização de imagens das folhas para medir a área das folhas, na aplicação de impulsos térmicos no caule e na utilização da ressonância magnética nuclear para medir os fluxos de água e nutrientes.

A utilização de sensores que permitam avaliar a resposta das plantas, apesar do seu grande interesse, está na actualidade condicionada por razões de índole prática, pela grande quantidade de sensores que é necessário utilizar para assegurar a representatividade do estado da cultura, e de ordem técnica devido a limitações tecnológicas que impossibilitam obter informação directa de muitos dos fenómenos fisiológicos importantes. Porém, existem hoje vários sistemas de automação e sensoriais com sofisticação tecnológica que estão a ser empregues na agricultura de precisão. Neste domínio pode referir-se o emprego de sistemas de posicionamento global que permitem melhorar consideravelmente as operações agrícolas.

Estes sistemas não se limitam a determinar e gravar a posição de máquinas agrícolas.

Proporcionam também ajuda à condução por forma a eliminar sobreposições em passagens consecutivas Torres et al. (2000), o que se tem revelado muito mais eficiente do que os métodos convencionais que usam marcadores ou bandeiras.

Uma outra área de aplicação recente é a do uso de MEMS-Micro Electro Mechanical Systems na agricultura. A título exemplificativo pode-se referir o sensor inteligente micro-maquinado para medida da humidade do solo, representado na figura seguinte, que foi desenvolvido por Valente, et al. (2002).

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Figura 1 – Ilustração do sensor micro-maquinado para medida do conteúdo de água no solo.

Este sensor é baseado no método do impulso de calor e destina-se a ser aplicado à gestão da rega, apresentando como características principais: um baixo custo, dimensões reduzidas, calibração automática, transmissão de dados por rádio-frequência e elevada precisão.

O desenvolvimento dos sistemas sensoriais e de actuação tem também sido aplicado com sucesso em robots para fins agrícolas. Actualmente existem várias aplicações destes sistemas podendo referir-se os de aplicação de tratamentos e de adubos foliares em estufas e os tractores de campo para aplicação controlada de químicos. Um exemplo deste tipo de equipamentos é o de um tractor de aplicação de pesticidas que possui 8 sensores de ultra- sons instalados num braço para controlo individual da altura dos injectores ao solo com vista a aumentar a eficiência do emprego dos tratamentos, Anthonis (2000).

A aplicação de sensores de imagem e de técnicas de aquisição e processamento de imagem por computador na agricultura também têm vindo a acentuar-se ao longo dos últimos anos. A este facto não é alheio a redução que se tem verificado no custo dos sensores e processadores de imagem aliados à melhoria dos seus desempenhos. Como exemplo, pode referir-se o desenvolvimento de máquinas apetrechadas com sistemas de visão guiada para aplicação selectiva de herbicidas. Na figura 2 apresenta-se o protótipo de uma destas máquinas onde cada injector de químicos é controlado separadamente de acordo com a informação lida por um sistema de visão artificial que emprega vários sensores, seguido de um processamento que infere sobre as condições locais de infestação de ervas daninhas, Lei Tian (2002). Actualmente, o desenvolvimento deste tipo de equipamentos de visão artificial está a ter um incremento acentuado na agricultura de precisão, nomeadamente para aplicação de herbicidas baseada na distribuição espacial das ervas daninhas. Alguns sistemas deste tipo foram descritos como apresentando vantagens de economia na aplicação de químicos na ordem dos 30 a 50%, redução de custos de operação, menor contaminação ambiental através da redução dos resíduos químicos, entre outros, Balastreire (1998) e Qiu et al. (1998).

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Camâra 1 Camâra 2

Camâra 3

Figura 2 – Protótipo de aplicação de herbicidas controlado por sistema de visão artificial.

Outra das tarefas que recentemente começou a ser automatizada é a da classificação e selecção de frutos com base nos atributos da dimensão e cor. Nesta área de aplicação da visão por computador, o ser humano é substituído por máquinas para efectuar as operações de inspecção visual que, com base na cor, mede a qualidade do fruto e com base na dimensão efectua a seriação do calibre. Muitos destes sistemas usam redes neuronais artificiais que foram treinadas em várias condições distintas de luminosidade ambiente de modo a tornarem robusta a classificação das imagens dos frutos, quer na sua forma quer quanto à cor, Cruvinel et al. (2002).

Como é óbvio a utilização cada vez mais intensiva de redes sensorias e/ou de controlo torna imprescindível o recurso às novas tecnologias da comunicação para se poder lidar com os grandes fluxos de dados e os transmitir com fiabilidade. Na figura 3 ilustra-se a topologia de uma destas arquitecturas que foi projectada para monitorar e controlar um conjunto de estufas dispersas geograficamente Raul et al (2000).

Estação EstaçãoBaseBase

Sinais de actuação Armazenamento e

Controlo

sensores sensores

1

...

n

Estufa n Estação

EstaçãoBaseBase

Controlo

1

...

n

Estufa Estufa11 Gestão da rede

Gestão da rede e supervisão e supervisão

Armazenamento e Controlo

...

1 n

Processo Agrícola

Internet Internet

RF

RF (X25)(X25)/RS485 /RS485 (X25)(X25)//

x ^EstacaMultisensorial

Estação Central Sinais de

Actuação

GSM

Controlo

1

...

n

Controlo

1

...

n

...

1 n

RF

RF (X25)(X25)/RS485 /RS485 (X25)(X25)//

Actuação

Controlo Armazenamento e

Controlo

1

...

n

Controlo Armazenamento e

Controlo

1

...

n

...

1 n

RF

RF (X25)(X25)/RS485 /RS485 (X25)(X25)//

Actuação

GSM GSM

Figura 3 – arquitectura de um rede de aquisição e transmissão de dados em estufas.

Neste sistema, o controlo de um complexo de estufas é realizado por um conjunto de estações base que estão ligadas por cabo ou rádio-frequência a um computador. O sistema tem ainda a

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possibilidade de enviar sinais de alarme ao agricultor usando a rede móvel GSM, bem como a facilidade de ser programado pela mesma via.

Uma das áreas mais promissoras para o desenvolvimento de sistemas sensoriais e de reparação de moléculas é a nanotecnologia. A nanotecnologia é definida como sendo o processo de fabricação de dispositivos à escala atómica ou molecular, tipicamente com dimensões inferiores a 100nm. A nano-escala limita a fronteira entre as físicas clássica e quântica, pelo que os nano-dispositivos prometem resolver muitos dos problemas que afectam actualmente a humanidade. Dado que esta tecnologia ainda está na sua forma embrionária, não é possível saber-se que avanços concretos irão ocorrer. Contudo, é previsível que durante este século se criem novos materiais agrícolas com desempenhos elevados, e que não são possíveis de produzir com as tecnologias de engenharia actuais. Esta ciência emergente poderá conduzir ao desenvolvimento de nano-ferramentas capazes de reparar as células das plantas e dos animais doentes. Poderá ainda ser usada para incrementar a produção agrícola, na filtração de águas, na obtenção de painéis fotovoltaicos de alta eficiência, diminuindo simultaneamente o uso dos recursos naturais, além de outras aplicações.

3. Sistemas periciais A recolha de grandes quantidades de informação requerem sistemas de processamento

capazes de gerar em tempo-real as decisões mais adequadas ao processo produtivo. Dada a interdependência e a complexidade dos vários factores envolvidos na gestão dos processos agro-industriais, os sistemas de supervisão, os sistemas periciais e a inteligência artificial têm vindo a assumir um papel fundamental na implementação de estratégias de automação e gestão integradas. Diversos sistemas periciais de ajuda ao produtor no diagnóstico e resolução de problemas específicos, como sejam o diagnóstico de doenças, entre outros, têm vindo a ser aplicados com sucesso à agricultura, Greer, et al. (1994) e Beaulah, et. al. (1995).

De uma maneira simples, um sistema pericial pode ser definido como um programa que "imita"

um especialista humano na assistência a um utilizador sobre o diagnóstico de problemas, selecção de alternativas na gestão do sistema, entre outros. Estes consistem num módulo de conhecimento, num de inferência que analisa o anterior e numa interface com o utilizador, como ilustrado na figura 4. O módulo de conhecimento contém informação e estratégias geralmente obtidas de especialistas, por forma a se poderem tomar decisões complexas num domínio específico.

Base do Conhecimento

Mecanismo de Inferência

Interface

Mmória de Trabalho

Utilizador

Engenheiro Do Conhecimento

Perito Base do Conhecimento

Mecanismo de Inferência

Interface

Mmória de Trabalho

Utilizador

Engenheiro Do Conhecimento

Perito

Figura 4 – Diagrama de blocos de um sistema pericial.

Como exemplos de aplicações de sistemas periciais à agricultura podem-se referir os trabalhos de análise e decisão dos nutrientes a fornecer às plantas com base na radiação solar e na resposta destas, Fynn et.al. (1994), de determinação dos valores ambientais diários desejados para a produção de tomate no Inverno, balanceando os objectivos de evitar doenças, manter o desenvolvimento da cultura e minimizar o consumo energético, Morimoto e Hashimoto (2000), e de diagnóstico de doenças em abelhas, McClure et. al. (1993).

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4. Conclusões

Os avanços recentes na microelectrónica permitiram que as aplicações dos computadores e dos sistemas de informação se estendessem à agricultura e à pecuária, com as consequentes vantagens sobre a gestão da produção. A continuação do desenvolvimento quer do hardware quer do software permitirá um maior conhecimento e controlo dos processos que ocorrem nas plantas, a utilização de técnicas mais avançadas de gestão, a utilização de robots mais versáteis, entre outros, abrindo novos caminhos para a obtenção de uma maior e melhor produção.

Nesta área, o futuro aponta para a concepção de arquitecturas sensoriais cada vez mais inteligentes. Para além da necessidade que existe em desenvolver novos micro e nano- sensores, a utilização redundante de dispositivos de baixo custo e de técnicas de fusão sensorial terá consequências positivas no assegurar da interpretação e da validação das medidas realizadas. O recurso à fusão sensorial permitirá resolver com maior eficácia o problema de saber como combinar e interpretar as grandes quantidades de informação por forma a se inferir sobre o estado do sistema e, deste modo, será possível aumentar a segurança e a eficiência do sistema produtivo.

A evolução das nanotecnologias permitem-nos sonhar com a possibilidade de desenvolvimento de nano-máquinas e de nano-sensores que poderão ser usados na detecção de gases, em implantes de tecidos vivos para monitorização e/ou reparação de células, entre muitas outras aplicações, que irão trazer um contributo significativo à agricultura de precisão.

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