AS APLICAÇÕES AGRÍCOLAS E O PROTOCOLO CAN: UMA APLICAÇÃO A UM MONITOR DE SEMEADORA
Alexandre de Almeida Guimarães
Engenheiro de Produto – General Motors do Brasil Mestrando em Sistemas Digitais
Laboratório de Automação Agrícola
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Brasil alexandre.guimaraes@gm.com
Antônio Mauro Saraiva
Professor Doutor -Eng. Eletricista - Eng. Agrônomo Laboratório de Automação Agrícola
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Brasil amsaraiv@usp.br
RESUMO
A tecnologia atualmente encontrada nos veículos automotores, especialmente nos veículos de passeio, caminhões (leves e pesados) e ônibus; está sendo gradativamente incorporada nos equipamentos agrícolas disponíveis. Sistemas de controle de motor e transmissão, equipamentos de acompanhamento dos processos agrícolas em tempo real e até mesmo dispositivos de monitoração das ações do operador, estão sendo desenvolvidos e instalados em vários segmentos da agricultura. Toda esta tecnologia embarcada visa, entre outras coisas, melhorar os índices de produção e reduzir as perdas no processo produtivo agrícola. A grande quantidade de informações geradas pelos módulos eletrônicos precisa ser distribuída pela rede, de forma rápida e confiável. Para tanto, o protocolo de comunicação CAN (Controller Area Network), assim como na indústria automotiva, mostra ser a melhor solução na agricultura. Considerando a norma CAN – ISO 11783, a que se pretende ser o padrão internacional para as aplicações agrícolas, é estudada a Monitoração de Semeadora.
ABSTRACT
The technology currently available in cars, trucks and other vehicles is gradually being transferred to agricultural machines. Engine control systems, monitoring and control systems for specific tasks and processes and their machines, and even for the operator’s actions are under development and are being incorporated. The aim of that technology is to improve production and reduce losses. All the information generated by the many electronic modules installed in the tractors and in the implements must be distributed and shared by a network reliably and quickly. The CAN protocol (controller area network) is proving to be the best solution in agriculture as it is in automotive industry. Based on ISO 11783, a CAN-based international agricultural standard, a planter monitor implementation is being evaluated.
INTRODUÇÃO
Em grande parte das operações agrícolas um trator e seus implementos são partes essenciais. Diferentemente do trator, que fornece a potência em quase todos estes processos, cada implemento possui a sua aplicação específica, de modo que muitas são as variações no conjunto Trator x Implemento.
Como nos processos industriais e comerciais existentes, percebe-se que também na agricultura a evolução tecnológica está ocorrendo; mecânica e eletronicamente. Esta evolução é natural no sentido que proporciona maior controle do processo e disponibiliza informações essenciais ao planejamento das próximas safras. Neste contexto, dois termos se caracterizam como bons representantes desta nova filosofia na agricultura: "Agricultura de Precisão" (AP) e “Protocolos de Comunicação”.
Os objetivos principais da AP são, entre outras coisas, reduzir o consumo de insumos, aumentar a qualidade dos processos e do produto final e assim, conseqüentemente, aumentar a lucratividade do produtor e a satisfação do consumidor final. Ela depende da monitoração dos processos, da extração de dados das várias atividades executadas (do preparo da terra à colheita do produto) e da sua análise, procurando estimar os resultados finais. Para tanto, ferramentas computacionais para simular e avaliar os mais diferentes cenários são aplicadas, sempre consolidando as informações obtidas em campo durante cada fase do processo produtivo agrícola [1].
Percebe-se assim que, na Agricultura de Precisão, uns dos elementos mais importantes são as informações de cada fase do processo. Dos dados coletados em campo, parte deles está disponível no trator, parte nos implementos. São informações de velocidade e posição do maquinário em relação ao terreno, quantidade de sementes plantadas, quantidade de adubo depositado, quantidade de agroquímico aplicado e até mesmo eventuais falhas nos implementos ou no trator, entre outras. As informações são coletadas no decorrer dos trabalhos por sensores específicos e são armazenadas numa central localizada no próprio trator, de onde são retiradas posteriormente para as devidas análises. A forma como estes dados são levados dos sensores à unidade central do trator é uma das grandes dificuldades na Agricultura de Precisão, e é responsabilidade do Protocolo de Comunicação.
PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO NA AGRICULTURA
Do ponto de vista de uma aplicação agrícola, alguns requisitos mínimos devem ser observados no momento de se desenvolver uma rede embarcada de comunicação de dados. Pode-se destacar os seguintes [2][3]:
• Estar preparada para trabalhar em ambientes móveis, sendo resistente especialmente a elevada vibração dos equipamentos.
• Ser resistente a situações extremamente nocivas, como as condições climáticas adversas (exposição aos raios solares e a chuva) e a exposição a produtos químicos provenientes do próprio trabalho.
• Ter cabeamento reduzido para facilitar a sua instalação e reduzir os problemas com manutenção.
• Não requerer tempo elevado ou manobras complicadas para a conexão de um equipamento à rede.
• Ser imune as interferências eletromagnéticas.
Além de todos os fatores colocados acima, um em especial deve ser considerado: o Protocolo de Comunicação de Dados. Ele deve ser simples de se implementar e deve garantir uma velocidade de transmissão suficiente para a dada aplicação [3]. Além disso, deve permitir a interoperabilidade entre equipamentos de diversos fabricantes, o que sugere que ele seja reconhecido como um padrão [4].
Várias são as razões para se padronizar um protocolo de comunicação agrícola, assim como foi feito para as aplicações industriais, comerciais, navais e automotivas, entre outras. Como diversos implementos são acoplados a um trator ao longo do ano para realizar as diversas operações, deve-se garantir que os equipamentos dos implementos se comuniquem com os do trator normalmente [6], mesmo que sejam, e é a condição mais comum atualmente, de fabricantes diferentes. Utilizando um protocolo padronizado, os vários fabricantes não serão obrigados a revelar o funcionamento interno de seus equipamentos, apenas disponibilizar os dados no barramento [5]. Do ponto de vista dos componentes eletrônicos, a adoção de um padrão permite que fabricantes de equipamentos troquem componentes entre si para o desenvolvimento de novos e padronizados equipamentos [7].
Dentre os vários protocolos de comunicação serial existentes, alguns podem ser destacados por já terem sido objeto de análise em aplicações agrícolas: SAE J1939, DIN 9684 (LBS) e ISO 11783. Estes protocolos foram desenvolvidos considerando as características colocadas pelo padrão CAN (Controller Area Network), especialmente a respeito da norma ISO 11898, norma básica e oficial do protocolo. Ela foi desenvolvida pela companhia alemã Robert Bosch para utilização na indústria automotiva, buscando comunicação efetiva e a custos reduzidos em eletrônica embarcada de modo geral [8].
Com o passar dos anos, as exigências para a troca de informações entre os diversos módulos eletrônicos nos veículos cresceram de tal forma que o cabeamento requerido para tais conexões chegou a atingir vários quilômetros de comprimento. A solução para este problema é a troca da forma de comunicação entre estes módulos eletrônicos. Deve ser considerado um protocolo que garanta os seguintes fatores [9]:
• Redução do cabeamento total da rede.
• Ser capaz de transmitir altas taxas de informação, uma vez que os sistemas operam com informações em tempo real.
• Capacidade de interligar diversos nós, garantindo futuras expansões do sistema.
• Trabalhar dentro do conceito multi-mestre, eliminando a existência de um módulo principal e responsável pelo gerenciamento da rede.
• Robustez suficiente para garantir seu funcionamento em ambientes nocivos e móveis. • Capacidade para detectar e tratar eventuais falhas geradas por problemas em hardware e
software ou, interferências externas como as eletromagnéticas.
O protocolo que cobre todos estes requerimentos é o CAN, podendo chegar a uma taxa de transmissão de 1Mbits/seg, com um comprimento de cabo de 40m (podendo ser aumentado com a proporcional diminuição da taxa de transmissão), garantindo todos os requerimentos colocados acima. É um padrão internacional que especifica basicamente a forma de transmissão das informações, sem se preocupar com o formato e o tipo das mensagens. Para tanto, existem várias normas fundamentadas na ISO 11898 que foram criadas para aplicações específicas.
As normas SAE J1939, DIN 9684 (LBS) e ISO 11783, todas baseadas no CAN genérico (ISO 11898), foram analisadas sob o ponto de vista de uma aplicação agrícola, sob critérios técnicos e de mercado. De todas elas a ISO 11783 mostrou-se a mais completa e indicada à agricultura [10].
O PADRÃO ISO 11783
É o padrão de comunicação serial agrícola baseado na ISO 11898 – CAN 2.0B (identificador de 29 bits). Está em desenvolvimento pelo grupo de trabalho ISO TC23/SC19/WG1 [11], que procura reunir os diversos requerimentos dos sistemas agrícolas atuais e predizer o que seria interessante em um protocolo de comunicação, para que o mesmo seja flexível o suficiente para suportar as diversas aplicações agrícolas futuras.
Esta norma define todos os componentes necessários a um barramento agrícola, tendo como características principais o seguinte [12]:
• Quantidade de mensagens possíveis = mais de 500 milhões. • Máxima Taxa de Transmissão = 250 Kbits/seg.
• Comprimento máximo da rede (considerando a Taxa de Transmissão Máxima) = 40m. • Quantidade Máxima de Nós na rede = 256.
Quando se analisa a maioria dos trabalhos realizados com protocolos de comunicação voltados às aplicações agrícolas, percebe-se que os resultados obtidos são direcionados aos trabalhos de criação da ISO 11783, ou sugerem que ela deve ser o ponto de convergência tanto para as aplicações atuais que já operam sobre a DIN 9684, como para as aplicações a serem desenvolvidas futuramente [7].
Avaliando o padrão do ponto de vista de mercado, por ainda estar em processo de desenvolvimento, não foi utilizado como referência em nenhum projeto de equipamento comercial [12]. Apesar disso, é objeto de análise de grande parte das empresas que comercializam produtos eletrônicos na agricultura, especialmente por ser capaz de proporcionar uma solução que acomode as existentes, como a LBS, e as futuras, com milhares de mensagens e centenas de nós conectados à rede [10].
O MONITOR DE SEMEADORA
Em trabalho anteriormente desenvolvido pelo Laboratório de Automação Agrícola da EPUSP, um monitor de semeadora foi implementado baseado no conhecido protocolo EIA RS232C. A figura 1 destaca a arquitetura do Monitor baseado em RS232. Como funções principais poderiam ser destacadas [13]:
• Apresentação ao operador de informações do processo. Dentre elas destacam-se a taxa e a densidade de sementes, a área do terreno já semeada e a velocidade do trator;
• Aviso ao operador sobre as condições indevidas de trabalho, como taxa de semeadura fora da faixa e posição indevida do implemento no modo operacional do sistema;
• Armazenamento de estatísticas da operação e sua transferência a um computador pessoal PC para posterior análise;
Como o sistema baseado em RS232, apesar de fácil de implementar, apresenta baixa eficiência, além de ser pouco expansível, uma proposta fundamentada no protocolo CAN está sendo desenvolvida, especificamente baseada na norma que pretende ser o padrão internacional – ISO 11783.
A figura 2 mostra a arquitetura considerada na implementação do Monitor de Semeadora baseado em CAN.
FIGURA 1: Arquitetura do Monitor de Semeadora baseado em RS232.
FIGURA 2: Arquitetura inicial considerada no Monitor de Semeadora baseado na ISO 11783.
Esta proposta de rede possibilita uma implementação relativamente rápida de um protótipo do Monitor de Semeadora. Dentre os vários fatores existentes, destacam-se:
• Utilização de um computador pessoal (notebook) como forma de visualização do comportamento da rede e visualização dos dados;
ligação serial (RS-232) Sensor de velocidade Sensor de operação ... Sensores de fluxo de sementes Teclado PC de Gerenciamento ligação serial (RS-232) GPS ligação serial (RS-232) Display Módulo da Semeadora (remota) Modulo do Trator (central) Alarme
ECU #b ECU #c ECU #n
TERMINAL Monitor de Semeadora CAN Bus (ISO 11783) TERMINAL Entradas Discretas ECU #a S S S S S S SO SV PCMCIA (GATEWAY)
• Aplicação de um cartão PCMCIA conectando o notebook à rede, reduzindo o tempo de implementação;
• Utilização de microcontroladores com o protocolo CAN já incorporado, o que facilita o desenvolvimento do firmware das Unidades Eletrônicas de Controle (ECU);
Percebe-se que apesar de não estar sendo considerada uma construção voltada à futura manufatura do sistema, como ferramenta de suporte ao desenvolvimento a proposta é bem interessante, facilitando a sua construção e a visualização dos resultados.
CONCLUSÕES
Grande parte das experiências adquiridas com as várias implementações de diferentes protocolos de comunicação serial na agricultura, serviram de suporte para o desenvolvimento da ISO 11783. Este padrão é esperado como referência internacional aos futuros desenvolvimentos, sem causar o sucateamento da tecnologia atualmente comercializada.
Sua utilização permite uma maior rapidez na implementação de um protótipo de um Monitor de Semeadora, facilitando o desenvolvimento das partes mais específicas da aplicação, por exemplo as mensagens relativas à aplicação. Procura-se com isso avaliar a implementação do padrão ISO em uma aplicação conhecida e de grande importância no contexto agrícola.
REFERÊNCIAS
1. SIGRIMIS, N.; HASHIMOTO, Y.; MUNACK, A.; De Baerdemaeker, J. Prospects in
Agricultural Engineering in the Information Age, CIGR-Ejournal, invited paper, 1998.
2. STRAUSS, C.; CUGNASCA, C.E.; SARAIVA, A.M. Protocolos de Comunicação para
Equipamentos Agrícolas, CONAI, 1998.
3. STRAUSS, C.; CUGNASCA, C.E.; SARAIVA, A.M.; HIRAKAWA, A.R. Applications of the
CAN and ISO 11783 protocolos to a Planter Monitor. Progress in Simulation, Modeling,
Analysis and Synthesis of Modern Electrical and Electronic. Devides and Systems, World Scientific and Engineering Society Press, Grécia,1999. p. 211-16.
4. STAFFORD, J.V.; AMBLER, B. A CAN data bus application on a Patch Sprayer. International Winter Meeting of the American Society of Agricultural Engineers, Chicago, 1993. ASAE paper no 95-1534.
5. SPECKMANN, H.; JAHNS, G. Development and application of an agricultural BUS for
data transfer., ELSEVIER - Computer and Electronics in Agricultural, 23 (1999) 219 - 237.
6. STONE, M.L. Dynamic Address Configuration in SAE J1939, Biosystems and Agricultural Engineering, Oklahoma State University.
7. STONE, M.L. High Speed Networking in Construction and Agricultural Equipments., Department of Biosystems and Agricultural Eng'g, 1994, www.agen.okstate.edu/home/mstone/.
8. Controller Area Network – Background Information, How CAN works, Implementation,
Application Layer. www.omegas.co.uk/CAN/, 2000.
9. Controller Area Network (CAN) - Module 6., BOSCH - Powertrain University, 2000. 10. Protocolo CAN Bus nas Aplicações Off-Road: Uma Análise Comparativa entre os Padrões
Existentes, Artigo submetido à SAE Brasil 2001.
11. ISO11783 Workshop, Agrithecnica 99, http://isotc.iso.ch/livelink/livelink, 1999.
12. HOFSTEE, J.W.; GOENSE, D. Simulation of a Controller Area Network-based
Tractor-Implement Data Bus according to ISO 11783, J. Agric. Engng Res. (1999) 73, 383-394.
13. STRAUSS, C.; CUGNASCA, C.E.; SARAIVA, A.M. Padrões de Comunicação em
Automação Agrícola. In: Simpósio Nacional de Instrumentação Agropecuária, 2., São Carlos,
