COMPUTADOR DE BORDO PARA AGRICULTURA DE PRECISÃO
FELIPE AUGUSTO DA SILVA1 PAULO RICARDO CECHELERO VILLA2 VALTER TOFFOLO3 FLÁVIO STEFFENS DE CASTRO4 EDUARDO AUGUSTO BEZERRA5 RESUMO: Este artigo descreve o projeto de um sistema embarcado baseado em tecnologia GPS, desenvolvido para uso em aplicações de agricultura de precisão. Custo acessível, fácil instalação e operação, são requisitos do projeto desse computador de bordo. Uma contribuição importante do projeto consiste na definição de um algoritmo para traçar a trajetória a ser percorrida por uma máquina agrícola.
PALAVRAS-CHAVE: agricultura de precisão, sistemas embarcados, computador de bordo, GPS.
AGRITEC: ON-BOARD COMPUTER FOR PRECISION FARMING
ABSTRACT: This paper describes the design of an embedded system based on GPS technology, targeting precision farming applications. Low cost, easy installation and operation are design requirements for this on-board computer. An important contribution of this work is the proposal of an algorithm for the definition of trajectories to be followed by agricultural machines.
KEYWORDS: precision farming, embedded systems, on-board computers, GPS.
1. INTRODUÇÃO
A necessidade de uma solução nacional para atender a demanda por computadores de bordo baseados em GPS (Global Positioning System) para uso em máquinas agrícolas, motivou a empresa Innalogics e a PUCRS a desenvolver o projeto Agritec. Esse projeto foi parcialmente financiado pela Fapergs e pela Finep, no âmbito do Programa de Apoio à Pesquisa em Empresas (PAPPE). O computador de bordo desenvolvido consiste em um sistema embarcado para agricultura de precisão (CLARK, 1997), com custo acessível, de fácil instalação e operação. O equipamento em questão objetiva, basicamente, um aprimoramento na eficiência do processo produtivo com redução nas perdas no momento do preparo do solo, na plantação, na aplicação de insumos, e colheita da safra. A função desse tipo de computador de bordo é sinalizar uma trajetória pré-estabelecida para o condutor de uma máquina agrícola. Com isso, são evitadas perdas, por exemplo, de sementes no momento da plantação, e de combustível ao permitir que a máquina não passe repetidas vezes sobre a mesma área. O computador de bordo para agricultura de precisão em questão utiliza tecnologia GPS, conforme descrito em Kaplan (2006, p.3), de forma a garantir que a máquina agrícola irá seguir a trajetória desejada.
Essa estratégia de agricultura de precisão, de acordo com informações divulgadas por
1 Engenheiro de Computação, FENG-PUCRS, Mestrando PGEEL-UFSC, E-mail: felipe.ec@gmail.com
2 Engenheiro de Computação, FENG-PUCRS, Mestrando PGEEL-UFSC, E-mail: prcvilla@gmail.com
3 Engenheiro de Computação, FENG-PUCRS, Projetista RTL, DHW Engenharia, E-mail: valtert@gmail.com
4 Analista de Sistemas, FACIN-PUCRS, Diretor Woompa, Porto Alegre, E-mail: flavio.steffens@gmail.com
5 Doutor em Eng. de Computação, Sussex-UK, Professor EEL-UFSC, E-mail: Eduardo.Bezerra@eel.ufsc.br
empresas que fabricam produtos similares, garante uma economia de 15 a 18% nos insumos aplicados, conforme discutido em Eaton et al. (2008).
Este produto torna-se uma alternativa economicamente viável, uma vez que não se tem conhecimento de projetos desse tipo desenvolvidos inteiramente no país. Dessa forma, a inovação e motivação desse trabalho residem no emprego de tecnologia nacional para atingir uma melhora nos processos agrícolas. Uma contribuição importante do trabalho consiste em um algoritmo capaz de indicar a trajetória de uma máquina agrícola por todas as áreas de interesse em um dado terreno. Para realizar os cálculos de trajetória, esse algoritmo utiliza como base informações de posicionamento GPS e informações pré-estabelecidas pelo operador. A maior parte dos equipamentos GPS disponíveis no mercado são utilizados para informação da localização atual e guiar trajetórias entre dois pontos desejados, o que não é suficiente para utilização na definição de trajetórias de máquinas agrícolas. Existem também equipamentos importados baseados em tecnologia GPS próprios para uso em aplicações de agricultura de precisão. Esses equipamentos possuem uma série de funcionalidades adicionais, resultando em um custo elevado para o usuário final, quando comparado ao equipamento desenvolvido nesse projeto.
O artigo está dividido como segue. Na seção 2 é apresentado o contexto em que o trabalho está inserido. Na Seção 3 é discutida a abordagem utilizada no desenvolvimento do sistema.
Na Seção 4 é apresentada a interface do usuário com o sistema. A Seção 5 explica a abordagem usada no software do equipamento para guiar as trajetórias estabelecidas. Por fim, as conclusões são discutidas na Seção 6.
2. USO DE TECNOLOGIA GPS NA AGRICULTURA DE PRECISÃO
Agricultura de precisão (precision farming) é uma tecnologia de informação emergente que permite aos agricultores um melhor acompanhamento das variações espaciais e temporais dos fatores limitantes à produção agrícola (SCHIEDEL; FERREIRA, 2002). Um exemplo é a coleta para posterior acompanhamento de informações relativas à quantidade de sementes plantadas em uma determinada área, e quando será o melhor momento para a colheita. A utilização de recursos tecnológicos favorece a obtenção de informações por parte do agricultor, auxiliando no processo de tomada de decisão durante as operações de aplicação localizada de insumos agrícolas e no manejo das culturas no campo de produção. A implantação da agricultura de precisão em uma propriedade objetiva a melhora do processo de colheita dos grãos, aplicação de insumos, entre outros.
A pesquisa conduzida no domínio desse projeto contemplou principalmente a área de sistemas embarcados e programação de periféricos, mais exatamente, a investigação, projeto e desenvolvimento de sistemas computacionais de software e hardware para o cálculo de trajetórias via GPS.
A utilização de tecnologia GPS para guiar máquinas agrícolas esta bem difundida no mercado internacional, existindo uma série de produtos consolidados no mercado que utilizam esse conceito. Entre os principais equipamentos que podem ser considerados concorrentes do Agritec, pode-se citar o Outback S-Lite, que é o produto de entrada da Outback Guidance.
Esse equipamento utiliza um painel de LEDs para indicar a trajetória a ser tomada pela máquina agrícola e uma interface simples para facilitar sua utilização. É considerada a solução mais acessível do mercado devido ao seu valor de US$850,00, que pode ser considerado baixo ao se comparar com os concorrentes. Outro equipamento disponível no mercado internacional é o AgGPS EZ-Guide 250 System da Trimble, que possui a funcionalidade de guiar em qualquer tipo de trajetória previamente definida pelo usuário.
Utiliza um painel de LEDs em conjunto com uma tela LCD, onde são apresentados os trechos da trajetória que já foram percorridos. Oferece precisão menor que 1 metro utilizando tecnologia DGPS. Seu custo é de U$1.495,00. O Agritec possui funcionalidades parecidas
com as do AgGPS EZ-Guide 250, pois permite que a máquina seja guiada em trajetórias pré- estabelecidas. Porém, com um preço muito mais acessível, sendo que os protótipos desenvolvidos custaram cerca de US$500,00.
3. VISÃO GERAL DO SISTEMA
O equipamento desenvolvido é composto, basicamente, por três grandes blocos: interface com o usuário, GPS e placa-mãe.
A interface com o usuário é responsável por integrar as funcionalidades do sistema com as necessidades do usuário. Esse módulo contém um LCD que possibilita ao usuário visualizar as funções do equipamento e configurá-lo para realizar o comportamento desejado. Contém também botões para navegação nos menus e definição das ações do sistema. Para guiar o caminho a ser seguido pelo motorista da máquina agrícola são utilizados LEDs, conforme apresentado na parte superior do painel à esquerda na Figura 1.
Figura 1 – Painel do equipamento e visão geral do sistema.
A placa-mãe do sistema foi implementada utilizando componentes da empresa Gumstix. A placa possui um processador Intel XSCALE PXA255 com clock de 400MHz, 64 MB de memória SDRAM, 16 MB de memória flash e pinos para comunicação com os demais módulos do sistema.
A recepção de dados dos satélites e fornecimento de coordenadas para o sistema é realizada pelo bloco GPS. Para esta funcionalidade foram utilizados componentes da empresa Hemisphere GPS. Estes componentes consistem basicamente de um módulo GPS e uma antena. O módulo GPS é baseado na tecnologia Extended Differential, ou e-Dif conforme definido por Kaplan (2006, p. 459), que é patenteada pela Hemisphere GPS. Com essa tecnologia o módulo GPS possui uma precisão de poucos centímetros sem a necessidade de recepção de um sinal diferencial do tipo DGPS (Capelli et al., 2006). O componente realiza a geração de um sinal de correção diferencial baseado no ponto de partida, ou seja, no local onde o e-Dif foi calibrado pela última vez. A correção diferencial é modelada ao longo do tempo e aplicada ao sinal GPS para garantir consistência dos dados. O e-Dif pode ser usado por longos períodos de tempo com mínima perda de precisão e também pode ser recalibrado a qualquer momento.
O diagrama de blocos com a visão geral do sistema, incluindo as conexões entre os módulos aqui citados, está apresentado no lado direito da Figura 1.
4. INTERFACE DO SISTEMA
O sistema Agritec possui uma interface bastante intuitiva e reduzida, sendo um dos objetivos do projeto, desde o início, visar a facilidade de uso e operação. A estrutura de menus do sistema é bastante simples e as funções implementadas são listadas na Tabela 1.
A opção de configurar o implemento agrícola é o pré-requisito para o sistema funcionar corretamente, sendo que deve ser a primeira opção a ser acessada ao iniciar o trabalho com auxílio do equipamento. Em seguida deve-se escolher o tipo de trajetória (reta ou curva) desejada. Com o tipo de trajetória especificado o próximo passo é marcar a trajetória inicial que vai ser utilizada como referência para o sistema poder traçar a trajetória total que consiste de todas as paralelas da trajetória inicial com uma distância entre si definida a partir do comprimento do implemento. No final desse processo o equipamento entra em modo de operação indicando as direções para o operador se manter na trajetória.
Tabela 1 – Descrição das funções do sistema.
Opção Descrição Mensagens ao usuário
Guiar em reta Fornece a opção para o operador guiar em retas, após definir a trajetória específica.
“Guiando em retas”
Guiar em curva Fornece a opção para o operador guiar em curvas, após definir a trajetória específica.
“Guiando em curvas”
Configurar Acessa o menu de configuração de trajetórias e implemento.
- Configurar reta Opção para configurar a trajetória retilínea que
será a base para gerar as trajetórias paralelas.
“Marque o ponto A”
”Marque o ponto B”
Configurar curva Opção para configurar a trajetória curvilínea que será a base para gerar trajetórias paralelas.
“Marque o ponto A”
“Marque o ponto B”
Configurar implemento
Opção para configurar o tamanho do implemento do veículo. Será a base para definir distâncias entre trajetórias paralelas.
É possível definir valores de +1 m, +0,10 m, -1 m e - 0,10 m.
5. SOFTWARE EMBARCADO
Como o módulo de GPS utiliza posições em coordenadas geográficas expressas por latitude e longitude foi utilizado um método de conversão para coordenadas no sistema cartesiano conforme apresentado por Snyder (1987, p.58). A partir das coordenadas cartesianas é possível utilizar as mais diversas equações conhecidas para retas. Essa conversão foi essencial para viabilizar os cálculos de trajetórias.
Em um primeiro momento foi desenvolvido o “Algoritmo para Guiar em Retas”. Para utilizá- lo é necessário configurar uma trajetória inicial, na qual o algoritmo se baseia para calcular a trajetória total a ser percorrida. Assim, para configurar a trajetória inicial o usuário deve definir o ponto de início e fim da trajetória inicial. Para isso deve posicionar a máquina agrícola nas posições desejadas e selecionar as mesmas no computador de bordo. Com isso, podemos definir o ponto de início da trajetória, indicado pelo usuário, como o ponto (0,0) do plano cartesiano e é possível traçar uma reta entre o ponto de início e o ponto final, também indicado pelo usuário. Tendo a reta de trajetória inicial é possível calcular as retas paralelas com distância fixa entre si, sendo que essa distância, ou implemento, é definida pelo usuário.
Durante o processo de guiar o algoritmo calcula a distância entre a posição atual da máquina agrícola e a reta mais próxima pertencente à trajetória. Assim, é definido em qual das retas paralelas a trajetória inicial o veículo deveria estar e é indicada a direção a ser tomada para se manter nessa reta.
Para que seja possível guiar o sistema em curvas se criou uma abordagem genérica que utiliza pequenos trechos de retas formando a trajetória inicial desejada. Similarmente ao ilustrado anteriormente o usuário deve definir o ponto inicial e o ponto final da trajetória inicial, porém no modo Configuração de Curva o computador de bordo automaticamente grava um novo ponto a cada dois metros durante a movimentação da máquina agrícola, para calcular uma reta
entre o ponto atual e o ponto gravado anteriormente. Assim, é definido um conjunto de segmento de retas que juntos formam a trajetória inicial desejada.
Para cada segmento de reta são calculadas suas retas paralelas com distância entre si definida pelo usuário. Assim, para cada dois segmentos de reta (A e B) existe um ponto em comum (p1) e é possível calcular a reta entre p1 e o ponto (p2) em comum entre a reta paralela de A (A1) e a reta paralela de B (B1).
Utilizando equações de distância de um ponto até uma reta o algoritmo pode calcular em qual trecho de segmentos de reta a máquina agrícola se encontra e, com isso, utilizar os algoritmos desenvolvidos para Guiar em Retas para o dado segmento de reta.
6. CONCLUSÕES
Nesse trabalho foi descrito o computador de bordo desenvolvido para utilização em aplicações de agricultura de precisão. Foram ilustrados os principais módulos do sistema, a interface com o usuário, e foi fornecida uma visão geral dos algoritmos desenvolvidos.
Uma das principais contribuições do trabalho consiste na criação dos algoritmos para cálculo das trajetórias das máquinas agrícolas. Outra contribuição importante consiste, justamente, no desenvolvimento de uma solução com tecnologia nacional, o que resulta em um produto com preços mais acessíveis para o mercado interno, viabilizando a disseminação da agricultura de precisão.
O objetivo inicial de criar um protótipo com tecnologia nacional foi alcançado. O próximo passo é a criação de um produto que possa chegar ao consumidor final. Para alcançar esse objetivo final, se faz necessária a cooperação com um fabricante de equipamentos, uma vez que a empresa parceira desse projeto é atua apenas em atividades de projeto e desenvolvimento de sistemas embarcados.
A agricultura de precisão já é utilizada em diversos países, inclusive no Brasil, e já se provou de grande valia nas mais diversas aplicações. Os equipamentos baseados em GPS para agricultura de precisão importados tem a desvantagem de ter o valor elevado devido aos fatores relativos à importação, tornando o Agritec uma solução viável para o mercado nacional.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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KAPLAN, E.D. Understanding GPS: Principles and Applications. 2. ed. Boston: Artech House, 2006. p. 533.
SCHIEDEL, M.; FERREIRA, M. F. Introdução à agricultura de precisão: Conceitos e vantagens, Ciência Rural, Santa Maria, RS, v. 32, n. 1, p.159-163, fev. 2002.
SNYDER, J. P., Map Projections: A Working Manual, U.S. Geological Survey Professional Paper. United States Government Printing Office, Washington D.C, 1987, 385 p.
