APLICAÇÕES AGRÍCOLAS PARA REDES DE SENSORES SEM FIO RESUMO

APLICAÇÕES AGRÍCOLAS PARA REDES DE SENSORES SEM FIO

LUCIANO GONDA1 CARLOS EDUARDO CUGNASCA2

ALBERTO CAMILLI3

RESUMO

O controle e monitoramento em aplicações agrícolas são estratégias fundamentais para melhoria nas condições de colheita e conseqüentemente, aumento na produtividade e qualidade dos produtos. O uso de ferramentas de tecnologia e de sensores é imprescindível para coleta de dados em campo e manipulação de informações. Este trabalho apresenta uma proposta de utilização para redes de sensores sem fio na agricultura de precisão e no controle em casas de vegetação. A tecnologia de redes de sensores sem fio ainda emergente se mostra uma alternativa interessante, especialmente por permitir monitoramento em tempo real, além de prover flexibilidade e facilidade de configuração dos nós sensores. Futuras aplicações devem permitir também que os dados coletados e processados utilizando redes de sensores sem fio possam ser acessados de forma remota através da Internet.

PALAVRAS-CHAVE:

AGRICULTURAL APPLICATIONS FOR WIRELESS SENSOR

NETWOKS

ABSTRACT

The use of control and monitoring techniques in agricultural applications are essential to improve crop conditions, productividity and the quality of products. The use of sensors and computacional tools is vital for data gathering and information manipulation on the field. This works presents a proposal of use of wireless sensor networks in applicatiosns such as greenhouse control and precision agriculture. This emerging technology allows real time monitoring of sensor nodes and also makes their configuration easier and more flexible. Newer applications must allow Internet access to the data collected through the wireless sensor networks.

KEYWORDS:

1 _{Doutorando pelo Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais da Escola}

Politécnica da USP, pesquisador do Laboratório de Automação Agrícola – PCS/EPUSP. Professor da Universidade Católica Dom Bosco, Av. Tamandaré, 6000 – Bloco C, Jardim Seminário, CEP 79117-900, Campo Grande – MS.

2 _{Engenheiro Eletrônico, Mestre, Doutor e Livre Docente, Professor Associado da Escola Politécnica da}

1. INTRODUÇÃO

O uso de sistemas computacionais e tecnologia em aplicações agrícolas tem se tornado cada vez mais viável devido à redução de custos destes dispositivos (SERÔDIO, 2001). Em particular, o uso de redes de sensores sem fio tem se tornado freqüente em diversas áreas, como ambiental, saúde, militar, entre outras.

No caso de aplicações agrícolas, o monitoramento e controle são necessários para se atender exigências de mercado e obter melhorias na produtividade. Uma forma de gerenciamento agrícola que tem como finalidade a aplicação localizada de insumos, baseada em informações sobre a variabilidade na área de cultivo é a agricultura de precisão. Neste sentido, o uso da tecnologia é fundamental para apoio à tomada de decisões (CUGNASCA, 2002; SARAIVA, 2003) . A tecnologia de redes de sensores sem fio pode ser utilizada na construção de mapas de gerenciamento de informações que podem ser correlacionados com mapas de colheita para se obter causas de produtividade em determinados pontos da área de cultivo (CAMILLI, 2004).

Outra forma de gerenciamento da produção, porém um pouco mais controlada, é o cultivo de plantas em casas de vegetação. Nestes ambientes, sensores sem fio poderiam ser espalhados para o sensoriamento distribuído e em tempo real, podendo obter as diferenças de características de área dentro da própria casa de vegetação.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. REDES DE SENSORES SEM FIO

O uso da tecnologia de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) em diversas áreas tem sido viabilizado devido ao avanço alcançado nas tecnologias de microprocessadores, sistemas eletromecânicos e comunicação sem fio (LOUREIRO et al. 2003; RUIZ et al. 2004). Uma RSSF é composta por diversos módulos, denominados de nós, que possuem capacidade de sensoriamento, processamento e comunicação, sendo distribuídos nos locais (AKYILIDZ et al. 2002). Em geral, os recursos das RSSFs são limitados e os nós da rede desempenham funções colaborativas para executar tarefas específicas. Uma das restrições das RSSFs é o tempo de vida reduzido, pois em geral as baterias que os alimentam possuem capacidade limitada e não podem ser trocadas (RUIZ, 2003).

Nas RSSFs além dos nós sensores, capazes de monitorar condições ambientais como temperatura, umidade, pressão, entre outros, têm-se também estações base, que possuem poder de processamento maior para receber e processar as informações coletadas pela rede.

Especificamente na área agrícola, possíveis aplicações para RSSF englobam a agricultura de precisão e o controle de ambientes, como, por exemplo, casas de vegetação. Nas próximas seções, são descritas possíveis aplicações nestas duas áreas.

2.2. REDES DE SENSORES SEM FIO APLICADAS À AGRICULTURA DE PRECISÃO

Na agricultura tradicional a área a ser cultivada é considerada uniforme, ou seja, para a análise de características do cultivo e da produção, amostras de diversas áreas são coletadas e avaliadas sem nenhuma distinção. Em conseqüência, obtém-se uma média das características de uma produção. Entretanto, sabe-se que na prática as diferenças de produtividade e de características ocorrem, portanto, as diferentes regiões de uma determinada área deveriam ser tratadas de maneira particular (SARAIVA, 2003).

como meta a aplicação de insumos de acordo com necessidades e características de cada parte do talhão (CUGNASCA, 2002; SARAIVA, 2003).

Para que isso seja possível, o processo de tomada de decisões demanda informações e conhecimento e, dessa forma, o uso de ferramentas de tecnologia da informação é imprescindível para auxiliarem na coleta de dados e na transformação destes dados em informações.

Para um melhor gerenciamento das informações, a AP pressupõe quatro etapas que ocorrem continuamente: coleta de dados, gerenciamento da informação, aplicação localizada de insumos e avaliação (SARAIVA, 2003).

A etapa de coleta de dados tem como objetivo identificar a variabilidade da produção e de seus diversos fatores, através da coleta extensiva de dados utilizando coletores de dados automáticos, sensores, monitores de produtividade entre outros. Esta etapa, bem como a correta medição de elementos que possam interferir na produção, são de extrema importância para a AP. Dessa forma, a utilização de alguns tipos e sensores, tais como, eletrocondutividade do solo, óticos, acústicos, mecânicos, eletroquímicos, entre outros, torna-se fundamental na AP. Os dados coletados nesta etapa são analisados na etapa de gerenciamento da informação, onde as variabilidades são quantificadas e propostas para o gerenciamento agrícola são apontadas de acordo com a variabilidade.

Em geral, os resultados da etapa de gerenciamento da informação são mapas com ações a serem tomadas em cada unidade de cultivo, levando em consideração os diversos fatores que possam influenciar na produção.

Assim, a utilização de RSSFs pode dar suporte a estes dois métodos, permitindo que estimativas sejam obtidas em tempo real, desde que os sensores sejam dispostos de acordo com os critérios adotados para amostragem.

2.3. REDES DE SENSORES SEM FIO APLICADAS A CASAS DE VEGETAÇÃO

Uma outra forma de cultivo controlado é utilizando casas de vegetação, que são cobertas por materiais que permitam a passagem de luz solar. Estas estruturas são utilizadas para o crescimento e desenvolvimento de vegetais, principalmente hortaliças e plantas ornamentais (CANSADO, 2003).

Ao contrário do que acontece na agricultura em campo aberto, onde os resultados da produção dependem de fatores da natureza, como clima, solo e outros, no cultivo utilizando casas de vegetação o objetivo é garantir a produção, mantendo uma certa independência de fatores climáticos. Entretanto, para que isso seja possível, são necessários o monitoramento e controle de algumas variáveis climáticas do ambiente de cultivo (LUO et. al. 2004).

A temperatura é um fator de grande importância para o desenvolvimento adequado da planta. Dentre os parâmetros de temperatura a serem controlados são importantes as temperaturas máxima e mínima da planta cultivada, as temperaturas diurna e noturna da planta, bem como a temperatura diferencial entre o dia e a noite, conhecida como DIF (Differential Between Day/Night Temperature) (CANSADO, 2003).

Outro fator importante é a umidade relativa que está relacionada ao rendimento das plantas. Um ambiente com taxa de umidade relativa elevada faz com que a transpiração e, conseqüentemente, o crescimento da planta diminua. Já ambientes com baixa umidade, podem levar à desidratação das plantas.

Dois fatores relacionados à fotossíntese são a radiação luminosa e a concentração de CO2. Para o controle do desenvolvimento da planta em relação à radiação luminosa, devem ser

levados em consideração: a intensidade da radiação e também o período em que a planta fica exposta à luz, denominado de fotoperíodo (CANSADO, 2003). Já o CO2 é importante para a

obtenção de carbono pela planta, pois este é um nutriente essencial para seu desenvolvimento. O processo de retenção de carbono ocorre durante a fotossíntese, onde a planta retira o CO2

presente na atmosfera.

casas de vegetação é realizado de forma a aproximar o valor medido de um valor considerado ideal.

Neste contexto, as RSSFs podem ser utilizadas com o objetivo de medir as variáveis do ambiente de forma distribuída. A primeira etapa seria espalhar os sensores pela casa de vegetação, tanto no solo, quanto em suas estruturas para medição das variáveis ambientais. Com a utilização de RSSFs é possível realizar um monitoramento de todos os locais da casa de vegetação, identificando não somente os valores das variáveis ambientais de um único ponto, como ocorre em muitas aplicações, mas também se obtendo valores de diversos locais e em tempo real. Dessa forma, o controle pode ser ainda mais refinado, pois seria permitido detectar diferenças nos valores até mesmo dentro da casa de vegetação, possibilitando que o os valores das variáveis ambientais em toda a casa de vegetação possam ser ajustados o mais próximo possível do valor considerado ideal.

É importante observar que, na maioria das aplicações, os sensores são localizados em um único ponto de medição e, as medidas obtidas neste ponto são utilizadas para que o ajuste possa ser realizado em toda a casa de vegetação. Entretanto, dentro dela, podem ser encontrados valores diferentes paras as variáveis ambientais. Logo, a utilização de RSSFs em casas de vegetação poderia não só permitir o monitoramento em tempo real, mas também uma medição mais próxima do considerado ideal, através da distribuição conveniente de nós.

3. DISCUSSÃO

Nesta seção serão apresentadas possíveis arquiteturas para as aplicações apresentadas nas seções anteriores.

possibilidade consiste em utilizar a comunicação sem fio para a transmissão de informações aos tratores enquanto estes executam operações de campo (CUGNASCA, 2002).

No caso da aplicação em casas de vegetação, os sensores estariam espalhados no solo e na sua estrutura. As informações coletadas pelos sensores seriam transmitidas para a estação base que poderia se localizar próxima à casa de vegetação.

Para que a arquitetura proposta funcione adequadamente, softwares de controle de casas de vegetação compatíveis devem ser desenvolvidos. Além disso, o uso de atuadores dotados de comunicação sem fio também é imprescindível. É importante ressaltar que a utilização de sensores e atuadores sem fio apresenta a vantagem de facilidade de instalação dos nós sensores e flexibilidade e mobilidade na configuração dos dispositivos, apontados como requisitos deste tipo de aplicação em SERÔDIO (2001).

Em ambas as aplicações, é necessária a proteção dos nós sensores para evitar que sejam danificados pela água e insumos (MAINWARING et al. 2002; SZEWCZYK et al. 2004). Caso seja necessária a reconfiguração das tarefas a serem desempenhadas pelos nós da rede, esta pode ser realizadas com o auxílio de PDA (Personal Digital Assistant).

4. CONCLUSÕES

Neste trabalho foram apresentadas possíveis aplicações para a tecnologia de RSSF. Esta tecnologia ainda emergente mostra-se promissora, principalmente por permitir a aquisição de dados em operações agrícolas em tempo real e de forma contínua. Porém, alguns desafios tecnológicos ainda devem ser superados para que isso realmente seja possível na prática.

No caso da AP, esta tecnologia apresenta maiores desafios, como sensores para medição de outras grandezas necessárias, já que atualmente estão disponíveis nós sensores para medição de temperatura, umidade, pressão atmosférica; problemas com perdas de sensores durante a passagem de máquinas agrícolas, o que poderia ocasionar falhas de comunicação na rede. Outro problema é a capacidade limitada das baterias e impossibilidade de troca das mesmas.

no controle de casas de vegetação é que se pode obter valores das variáveis ambientais em diversos pontos diferentes, permitindo assim, um controle mais apurado das condições de cultivo. A possibilidade de troca de baterias ou até mesmo de adaptação de uma fonte de alimentação constante também é uma fator favorável para o uso de redes de sensores para este tipo de aplicação. Além disso, esta tecnologia evita a passagem de cabos, permitindo maior mobilidade e flexibildade na configuração dos nós sensores, já que isto é altamente desejável face as diversas aplicações possíveis.

Por fim, pode-se concluir que a tecnologia de redes de sensores sem fio aplicada a área agrícola, mostra-se um campo de pesquisa promissor com muitos desafios, como o desenvolvimento de sensores necessários para as atividades de campo, o desenvolvimento de atuadores com capacidade de comunicação sem fio, além de possível padronização para que diversos produtores possam trocar informações. A redução nas dimensões dos sensores ao ponto de poderem ser espalhados junto com as sementes também é um desafio.

Uma observação importante é que esta tecnologia também pode ser aplicada na zootecnia de precisão, no controle de criação de animais em confinamento.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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