sistema de automaÇÃo e controle inteligente para …
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM MECATRÔNICA
ALDIR CARPES MARQUES FILHO
SISTEMA DE AUTOMAÇÃO E CONTROLE INTELIGENTE PARA CULTIVO PROTEGIDO – TECNOLOGIA ACESSÍVEL AO
PEQUENO PRODUTOR
Dissertação submetida ao Programa de
Pós-Graduação em Mecatrônica do
Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia de Santa Catarina como parte
dos requisitos para a obtenção do título
de Mestre em Mecatrônica.
Orientador: Jean Paulo Rodrigues, Dr.
FLORIANÓPOLIS, 2017
2
CDD 338.454 M 357s Marques Filho, Aldir Carpes Sistema de automação e controle inteligente para cultivo protegido – tecnologia acessível ao pequeno produtor [DIS] / Aldir Carpes Marques Filho; orientação de Jean Paulo Rodrigues – Florianópolis, 2017. 1 v.: il. Dissertação de Mestrado (Mecatrônica) – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Inclui referências. 1. Agricultura familiar. 2. Cultivo protegido. 3. Automação rural. I. Rodrigues, Jean Paulo. II. Título. Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC
Biblioteca Dr. Hercílio Luz – Campus Florianópolis
3
4
DEDICATÓRIA
Dedico o presente trabalho a minha família, sem ela nada seria possível. À
minha querida mãe Luisa Magna Goya Marques e às minhas irmãs Karen, Karluzi,
Karliane e Alessandra, vocês são o símbolo de fraternidade. À minha querida
esposa Deise Raimundo, grande companheira, e ao meu filho Aldir Neto, presente
de Deus. A todos os bons amigos que acreditam em mim e finalmente ao meu velho
pai Aldir Carpes, meu primeiro professor que, de algum lugar lá no alto, olha por
mim.
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AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus pela vida. Agradeço ao Instituto Federal de
Santa Catarina, pela oportunidade de aprendizado, através do ensino de qualidade,
bem como pelo apoio financeiro prestado pelo edital Universal 01/2016 IFSC para
o desenvolvimento deste projeto.
A relação apresentada a seguir não descreve hierarquia ou ordem de
prioridade nos agradecimentos. Todos foram fundamentais!
Agradeço ao meu orientador, Prof. Dr. Jean Paulo Rodrigues pelo apoio no
desenvolvimento do projeto e pela atenção constante em todo o período do
mestrado. Agradeço ao graduando em mecatrônica Gabriel Dal Ponte, pela grande
ajuda na programação do sistema e por abrir mão de seu horário extraclasse para
resolver códigos em linguagem C/C++.
Grato aos colegas da Universidade Federal de Santa Catarina, pela amizade
e apoio, em especial ao Elton Pedroso pela revisão final de texto e preciosas
anotações no trabalho, e Anderson Romão pela parceria durante muitos momentos
importantes nessa caminhada.
Agradeço a Prof. Dra. Simone Sartorio pelo apoio na análise estatística e
pelas valiosas e pacientes explanações referentes à experimentação agrícola.
Um agradecimento especial ao Sr. Ricardo Estuque e Karluzi Marques pelo
apoio na montagem da casa de vegetação para testes do controlador. Agradeço
também ao sábio professor David Bordullis, pelo incentivo constante e imenso zelo
com que manejou a produção agrícola durante o período experimental em Biguaçú.
Agradeço aos professores do mestrado pelos valiosos conhecimentos
repassados durante o curso.
Em suma, meus sinceros agradecimentos a toda minha família, pelo apoio e
compreensão pelas horas que dediquei a este, em função daqueles. Um
agradecimento especial a minha esposa Deise Raimundo, pela amizade, pelo
companheirismo, pelo amor e finalmente pelo mais belo guri que o mundo já viu.
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“ Nos acontecimentos, sim, é que há destino: Nos homens, não – espuma de um segundo... Se Colombo morresse em pequenino, O Neves descobria o Novo Mundo! Mario Quintana (Do Ovo de Colombo).
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RESUMO
Através do trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema
automatizado para controle ambiental em casas de vegetação, com possibilidade
de ajuste de programação de acordo com as necessidades das culturas vegetais
em cada fase de seu desenvolvimento, considerando características de amplitude
térmica, índices de radiação e de umidade ótimos para a cultura do tomate, pepino,
pimentão e folhosas, além de possibilitar a programação manual dos parâmetros.
A proposta central do trabalho é que o agricultor possa independentemente
de uma miscelânea de equipamentos comerciais disponíveis, encontrar uma
solução simples e eficaz para o controle ambiental em qualquer cultivo protegido.
Foi utilizada metodologia específica de desenvolvimento de produtos para a
montagem do sistema. O sistema de controle foi realizado com base em
microcontrolador AVR Atmel 2560, e os sensores ambientais foram instalados em
torres no interior do cultivo protegido. A programação do controlador contempla
algoritmos de dados agronômicos referentes ao estádio fenológico das culturas
vegetais.
O sistema de controle e aquisição foi desenvolvido com equipamentos e
componentes disponíveis no mercado, e sua validação foi realizada à campo. O
equipamento projetado incrementou em 25% a produtividade da alface tipo
Americana e 30% a produtividade da alface tipo crespa, além de reduzir a
necessidade de mão de obra para controle do ambiente de cultivo, tornando-se
uma excelente opção para implantação em qualquer tipo de cultivo protegido.
Palavras chave: agricultura familiar, cultivo protegido, automação rural.
ABSTRACT
The work presents the development of an automated system for
environmental control in greenhouse, with the possibility of adjusting the schedule
according to the needs of the plant cultures in each phase of its development,
considering thermal amplitude characteristics, radiation indices and moisture
content for tomato, cucumber, sweet pepper and hardwood cultivation, as well as
manual parameter programming. The central proposal of the work is that the farmer
can independently from a miscellany of commercial equipment available, find a
simple and effective solution to environmental control in any protected crop.
Specific product development methodology was used to assemble the
system. The control system was based on AVR microcontroller Atmel 2560, and the
environmental sensors were installed in towers inside the protected crop. The
controller programming includes agronomic data algorithms referring to the
phenological stage of plant crops.
The control and acquisition system was developed with equipment and
components available in the market, and its validation was carried out in the field.
The projected equipment increased 25% American lettuce productivity and 30%
crisp lettuce productivity, as well as reducing the need for labor to control the
growing environment, making it an excellent option for implantation in greenhouses.
Keywords: Family Farming, Greenhouse cultivation, automation farm.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Palm House Inglaterra. ......................................................................... 19
Figura 2 - Cultivo de hortaliças em sistema sem estrutura de proteção. .............. 21
Figura 3 - Cultivo protegido de tomate em vasos com solo encoberto. ................ 23
Figura 4 - Fazenda vertical em Singapura. .......................................................... 26
Figura 5 - Fazenda vertical EUA. ......................................................................... 27
Figura 6 - Alface em fase vegetativa em sistema de cultivo protegido. ................ 37
Figura 7 - Espécies de alface cultivadas em sistema protegido. .......................... 38
Figura 8 - Cultivo de rúcula em sistema protegido. .............................................. 39
Figura 9 – Fases de desenvolvimento de produtos e fluxo de caixa. ................... 40
Figura 10 - Psicrômetro com base fixa. ................................................................ 46
Figura 11 - Higrógrafo de cilindro. ........................................................................ 47
Figura 12 - Piranômetro Eplley SPP de termopilha. ............................................. 49
Figura 13 - Sensor LDR detecção de iluminação global. ..................................... 50
Figura 14 - Controlador Hunter Eco.Logic. ........................................................... 52
Figura 15 - Controlador I-CORE. .......................................................................... 52
Figura 16 - Controlador ACC empresa Hunter. .................................................... 53
Figura 17 - Controlador Rain Bird ESP – XLME. .................................................. 54
Figura 18 - Painel de controle para casas de vegetação com CLP montado pela
empresa Zanata Estufas Agrícolas. .............................................................. 55
Figura 19 - Painel de acionamento manual e controle de casas de vegetação. .. 56
Figura 20 - CLP Agrilogic e sistema supervisório, Cansado 2003. ....................... 57
Figura 21 - Protótipo estufa e sistema de monitoramento on-line, Capelli. .......... 58
Figura 22 - Controlador ARM, Friendly ARM tiny 6410 com display touch embutido.
...................................................................................................................... 58
Figura 23 - Protótipo sistema de controle casa de vegetação proposto por
BARRETO e SANTOS 2012. ........................................................................ 59
Figura 24 - HEMKEMAIER (2015). Protótipo de estufa e sistema de controle para
estufas........................................................................................................... 60
Figura 25 - ROMANINI (2010). Protótipo em escala para análise de variáveis em
lógica Fuzzy. ................................................................................................. 61
Figura 26 - Diagrama de funcionalidade principal do sistema: ............................. 68
9
Figura 27 - Divisão da função global em sub-funções do sistema. ...................... 69
Figura 28 - Diagrama de entradas e saídas do sistema. ...................................... 70
Figura 29 - Concepção escolhida dentre os materiais da planilha comparativa. .. 72
Figura 30 - Concepção inicial (Versão 1.0 do sistema de controle). .................... 74
Figura 31 - Concepção do controlador contendo botões de incremento e
decremento e programação manual. ............................................................ 75
Figura 32 - Concepção inicial de suporte para sensores, modelo “Torre”. ........... 76
Figura 33 - Esquemático de torres e controlador instalados no cultivo protegido. 77
Figura 34 - Sensor de radiação global LDR fixado na tampa da Torre PVC40mm.
...................................................................................................................... 79
Figura 35 - Testes de bancada dos cabos blindados para sensores. .................. 80
Figura 36 - Croqui torre de sensores, concepção final. ........................................ 81
Figura 37 - Concepção do produto – Projeto preliminar. ...................................... 82
Figura 38 - Gabinete Interface do controlador eletrônico. .................................... 84
Figura 39 - Conexões de entradas e saídas na placa Arduíno MEGA 2560. ....... 84
Figura 40 - Torres de PVC, suporte para sensores instaladas em cultivo protegido.
...................................................................................................................... 85
Figura 41 - Programação base de processos iniciais do controlador. .................. 87
Figura 42 – Datalogger para coleta de dados experimentais. ............................. 88
Figura 43- Arquivo .LOG criado pelo Datalogger para armazenamento dos dados.
...................................................................................................................... 89
Figura 44 – Croqui Casas de vegetação A1 e A2 – com e sem automação. Biguaçú-
SC. ................................................................................................................ 93
Figura 45- Casas de vegetação A1 e A2, condição inicial de montagem do
experimento. ................................................................................................. 94
Figura 46 - Abrigo Meteorológico para equipamentos e conexões elétricas. ....... 95
Figura 47 – Distribuição dos tratamentos experimentais em cada casa de
vegetação. ..................................................................................................... 97
Figura 48- Gráfico de Temperaturas máximas e mínimas registradas na região,
durante o experimento à campo e Zona de conforto térmico da cultura ....... 99
Figura 49- Temperaturas registradas no interior do cultivo protegido área
experimental A1, com automação. .............................................................. 100
10
Figura 50 – Temperaturas registradas no interior do cultivo protegido A2, sem
sistema de automação. ............................................................................... 101
Figura 51- Comportamento da Umidade relativa mínimas e máximas na região e
Zona de conforto térmico da cultura (ZCC). ................................................ 102
Figura 52- Comportamento da Umidade relativa do ar na casa de vegetação A1,
com automação e A2 sem automação. ....................................................... 103
Figura 53 – Variáveis ambientais na casa de vegetação A1 no segundo dia após
transplantio (DAT). ...................................................................................... 104
Figura 54 – Comportamento dos atuadores em função das variáveis ambientais
internas da casa de vegetação A1. ............................................................. 105
Figura 55 – Coleta de dados de crescimento alface aos 25 dias após o transplantio
das mudas. .................................................................................................. 106
Figura 56-Gráfico Boxplot da dispersão dos dados de diâmetro de planta (DP) nos
dois ambientes de cultivo A1 e A2. ............................................................. 107
Figura 57 - Gráfico Boxplot de dados diferenciais das variáveis Diâmetro do colmo
(DC) e altura da planta (AP) nos ambientes A1 e A2. ................................. 108
Figura 58 – Gráfico Boxplot de dados diferenciais da variável massa para os
ambientes .................................................................................................... 109
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 - Panorama do cultivo protegido no mundo. ........................................ 24
Tabela 02 - Ponto de saturação em gramas de água por m³ de ar, relacionado com
a temperatura ambiente. ............................................................................... 32
Tabela 03 - Desenvolvimento das Hortaliças herbáceas em cada estádio vegetativo
versus temperatura. ...................................................................................... 38
Tabela 04 - Principais agentes no processo de desenvolvimento do produto. ..... 64
Tabela 05 - Características que o produto deve ter segundo os clientes. ............ 65
Tabela 06 - Requisitos do projeto segundo necessidades dos clientes ............... 66
Tabela 07 - Diagrama comparativo entre equipamentos disponíveis no mercado e
seleção de concepções para o projeto. ......................................................... 71
Tabela 08 - Custos de materiais e componentes eletrônicos do projeto. ............. 90
Tabela 09 – Teste de Tukey a 5% para os ambientes A1 e A2 e para variedades
V1- Alface Americana e V2 Alface Crespa. ................................................. 107
Tabela 10 – Produtividade de alfaces V1 e V2 nos ambientes A1 e A2. ............ 110
12
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
PMP – Ponto de murcha permanente.
CC – Capacidade de Campo.
RL – Radiação Líquida.
PEBD – Polietileno de Baixa densidade.
RFA – Radiação Fotossinteticamente ativa.
DAT – Dias após Transplantio.
DC – Diâmetro do colmo.
AP – Altura da planta.
MFT – Massa Fresca total.
ZCC – Zona de conforto para cultura vegetal.
IHM – Interface Homem máquina.
13
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 16
1.1 Justificativa e relevância ......................................................................... 17
1.2 Objetivos geral e específicos .................................................................. 18
2. REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................................... 18
2.1 Cultivo protegido no Brasil e no mundo ...................................................... 23
2.2 Principais Culturas e Ecofisiologia Vegetal. ................................................ 28
2.3 Necessidades ambientais das culturas ....................................................... 28
2.3.1 Influência da Temperatura .................................................................... 29
2.3.2 Influência da Umidade relativa do ar ..................................................... 31
2.3.3 Influência da umidade do solo .............................................................. 35
2.3.4 Influência da radiação solar .................................................................. 35
2.3.5 Influência da presença de CO2 ............................................................. 36
2.4 Especificidades do cultivo de hortaliças herbáceas (Folhosas). ................. 37
3. METODOLOGIA UTILIZADA NO DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ........ 39
3.1 Modelos comerciais de equipamentos para o sistema ................................ 41
3.1.1 Transdutores para aferição de Umidade de Solo .................................. 43
3.1.2 Transdutores de temperatura ................................................................ 45
3.1.3 Transdutores de umidade do ar ............................................................ 46
3.1.4 Transdutores de radiação ..................................................................... 48
3.1.5 Soluções para o controle ambiental em cultivo protegido ..................... 51
3.1.6 Modelos comerciais de controladores ambientais ................................ 51
3.1.7 Projetos independentes de controle ambiental para estufas agrícolas. 56
3.1.8 Patentes e Registros de produtos na área de Automação de Cultivo
Protegido. ....................................................................................................... 61
3.2 Projeto informacional .................................................................................. 62
3.2.1 Fatores de influência no projeto do produto .......................................... 63
3.2.2 Definição dos Clientes .......................................................................... 63
3.2.3 Requisitos dos clientes e usuários ........................................................ 64
3.2.4 Requisitos do produto ........................................................................... 65
3.2.5 Especificações meta do produto ........................................................... 67
3.2.6 Projeto Conceitual ................................................................................. 67
3.2.7 Estrutura funcional ................................................................................ 68
3.2.8 Descrição das funcionalidades de entrada e saída do sistema ............ 69
14
3.2.9 Princípios de solução para o controle ambiental ................................... 70
3.2.10 Geração de alternativas de concepções ............................................. 73
3.2.11 Disposição e posicionamento dos transdutores no cultivo protegido. . 75
3.2.12 Seleção das concepções do produto .................................................. 77
4. PROJETO PRELIMINAR DO SISTEMA........................................................... 82
4.1 Controlador Eletrônico para cultivo Protegido E-Agro ................................. 83
4.2 Torres de aferição ambiental ...................................................................... 85
4.3 Programação e funcionamento do sistema ................................................. 86
4.4 Desenvolvimento de Datalogger para coleta de dados do sistema; ............ 88
4.5 Avaliação preliminar e econômica da concepção do produto ..................... 89
4.6 Viabilidade econômica do sistema de controle para produção de alface .... 91
5.EXPERIMENTO DE CAMPO COM USO DO SISTEMA DE CONTROLE
AMBIENTAL. ........................................................................................................ 92
5.1 Material e métodos ...................................................................................... 92
5.2 Resultados e discussão .............................................................................. 97
5.2.1 Análise ambiental e de funcionamento do sistema de controle ............ 98
5.2.2 Análise da influência da automação em casas de vegetação nas
características biométricas das alfaces variedade Crespa e Americana. .... 106
6. CONCLUSÃO ................................................................................................. 111
6.1 Considerações finais e sugestões para trabalhos futuros ......................... 112
7. REFERÊNCIAS .............................................................................................. 114
APÊNDICE I – TABELA VALORES META REQUISITOS DO PROJETO ......... 118
APÊNDICE II – PROGRAMAÇÃO SISTEMA CULTURA FOLHOSAS .............. 119
APÊNDICE III – CONSIDERAÇÕES REFERENTES A TRANSDUTORES DE
UMIDADE DE SOLO. ......................................................................................... 120
APÊNDICE IV – CONSIDERAÇÕES SOBRE TRANSDUTORES DE
TEMPERATURA. ............................................................................................... 125
ANEXO I – DADOS DE RADIAÇÃO DA ESTAÇÃO METEOROLÓGICA INMET
A806, DURANTE O PERÍODO EXPERIMENTAL. ............................................. 128
ANEXO II– DADOS DE TEMPERATURA DA ESTAÇÃO METEOROLÓGICA
INMET A806, DURANTE O PERÍODO EXPERIMENTAL. ................................. 129
ANEXO III– DADOS DE UMIDADE RELATIVA DO AR DA ESTAÇÃO
METEOROLÓGICA INMET A806, DURANTE O PERÍODO EXPERIMENTAL. 130
ANEXO IV– DADOS DE PRESSÃO ATMOSFÉRICA E PRECIPITAÇÃO DA
ESTAÇÃO METEOROLÓGICA INMET A806, DURANTE O PERÍODO
EXPERIMENTAL. ............................................................................................... 131
15
ANEXO V – CARACTERÍSTICAS DOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE
RADIAÇÃO DE ACORDO COM O DOCUMENTO 8 DA ORGANIZAÇÃO MUNDIAL
DE METEOROLOGIA. ....................................................................................... 132
16
1. INTRODUÇÃO
Atualmente há muitos modelos de controladores voltados para produção
agrícola, porém são sistemas fechados e pontuais para cada tipo de agricultura. No
geral são equipamentos de alto custo e que não estão acessíveis ao pequeno e
médio agricultor. Com isso foi desenvolvido um sistema automatizado para controle
ambiental em estufas agrícolas, com possibilidade de ajuste de programação, de
acordo com as necessidades das culturas vegetais em cada fase de seu
desenvolvimento, considerando características de amplitude térmica, índices de
radiação e de umidade ótimos para as principais culturas ambientadas em cultivo
protegido no país.
As soluções para controle de fatores ambientais existentes no mercado são
modulares e independentes. Ou seja, são específicos para irrigação, ou controle de
umidade e temperatura, ou acionamento de irrigação, ou controle de ventilação,
dentre outros tipos. Em função disso, para realizar os referidos controles, o
agricultor necessita adquirir sistemas particionados, composto por controladores
lógicos programáveis (CLP) ou controladores comerciais, sensores, placas de
relés, timers, contactoras e outros dispositivos que nem sempre são compatíveis.
A aparente complexidade de especificações e o desconhecimento das
características desses produtos induz os agricultores a procurarem alguma
empresa especializada, que oferece a solução completa de acordo com o perfil do
cultivo, envolvendo várias etapas e requisitando um alto investimento, fato que
exclui parte dos agricultores que não possuem condições financeiras para investir
em automação.
A proposta consistiu em possibilitar que o agricultor possa
independentemente de uma miscelânea de equipamentos comerciais disponíveis,
encontrar uma solução simples e eficaz para o controle ambiental de seu cultivo
protegido. E ainda que o controlador tenha um diferencial agronômico, levando em
consideração o estádio fenológico da cultura, trazendo parâmetros mais acertados
para cada fase de vida da planta em um sistema aberto e dinâmico.
A inovação deste projeto foi fazer “mais com menos”, otimizando os materiais
e recursos disponíveis para oferecer ao agricultor uma alternativa de qualidade,
17
com uma interface acessível e com valor final de mercado bem abaixo das soluções
já oferecidas atualmente.
O projeto pode ser classificado como de alta complexidade, uma vez que
engloba conhecimentos na área de agronomia, mecânica, informática e eletrônica.
Como também foi direcionado para o aprimoramento das atividades agrícolas,
integrando um sistema de controle dinâmico e de automação à produção vegetal.
1.1 Justificativa e relevância
Atualmente encontram-se no meio rural diversos modelos de casas de
vegetação. O fato é que a construção de uma estufa é mais uma alternativa para
driblar as adversidades climáticas e criar um ambiente propício à agricultura,
mesmo em regiões onde o clima ou o solo são desfavoráveis.
Nesta pesquisa foi desenvolvido um sistema automatizado para controle
ambiental em casas de vegetação. O sistema contém dispositivos que
proporcionam o controle de parâmetros ambientais importantes para as culturas
vegetais, tais como: luminosidade, temperatura, umidades atmosférica e do solo,
além de outros dispositivos de monitoramento que permitem acesso remoto ao
sistema para controle e assistência técnica.
Trata-se de uma proposta simples, prática e viável tanto na produção
estadual como nacional, uma vez que torna a atividade produtiva mais eficiente e,
racional em relação aos recursos energéticos e hídricos.
Na presente dissertação foi trabalhado sobre os parâmetros ideais de
ambiência para as culturas mais produzidas em casas de vegetação no país, em
geral são hortaliças de alto valor de mercado, o que justifica economicamente o
aporte de energia empregado na produção. Para cada cultura ou ciclo produtivo, os
parâmetros ambientais poderão ser alterados facilmente, o que personaliza o
funcionamento da casa de vegetação de acordo com as plantas que estão sendo
cultivadas pelo acionamento de um só botão, facilitando a vida do agricultor.
A olericultura requer alta tecnologia e está em constante mudança, exigindo
do agricultor artifícios tecnológicos refinados, que seriam antieconômicos em
qualquer outra produção agronômica. Em face disso o alto valor agregado dos
vegetais, e sua produtividade por área justificam o uso de sistemas modernos de
18
irrigação, tecnologias de cobertura e controle ambiental. Porém, há de se
considerar que também devido ao maior investimento, a olericultura protegida é
uma atividade de maior risco ao produtor, não dando a este a margem de errar, sob
pena de diversos prejuízos (FILGUEIRA, 2008).
Um dos grandes problemas no campo é a falta de mão de obra qualificada
para a realização das tarefas da olericultura protegida, o pequeno e o médio
produtor rural, contam geralmente com mão de obra familiar e possuem pouco
acesso às novas tecnologias e quando as possuem, são deficientes em qualificação
técnica para operar os sistemas. A falta de assistência técnica adequada, pode ser
um dos motivos para que este não tenha acesso às tecnologias simples, que
facilitariam muito seu trabalho diário.
1.2 Objetivos geral e específicos
O objetivo geral do trabalho foi desenvolver um sistema para controle dos
fatores ambientais internos em casas de vegetação para produção de hortaliças,
relacionando o sistema eletrônico à fenologia dos vegetais, com custo acessível
para o pequeno e médio produtor rural e especificamente:
1) Redução do consumo de água para Irrigação, comparando com sistema
não automatizado;
2) Redução de custos com mão de obra e energia elétrica, comparado com
sistema de manejo tradicional;
3) Aumento da produtividade das culturas com programação que leva em
consideração o estágio de desenvolvimento da planta;
2. REFERENCIAL TEÓRICO
O cultivo em ambiente protegido surgiu em meados do século XVII, com
as conhecidas “orangeries”, construídas por membros da monarquia e do clero com
o objetivo de ter, no clima frio da Europa, disponibilidade de frutas cítricas e
tropicais, como as laranjas, que deram origem ao nome das antigas estruturas.
No passado essas estruturas eram feitas invariavelmente de vidro, pois na
época não era conhecido outro material transparente para cobertura, além de que
19
o objetivo principal dessas construções era manter a temperatura interna mais alta
que a externa. Uma das obras mais importantes desta época, que persiste até hoje
é o palácio “Palm House”, construído em Londres no ano de 1840. O local recebe
atualmente visitação de turistas do mundo todo, que são atraídos pela bela
arquitetura e pela diversidade de espécies tropicais que o palácio abriga em seu
interior.
Figura 1- Palm House Inglaterra.
Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Palm_house
O vidro é um excelente isolante térmico, e na estrutura fechada captura a
radiação infravermelha em seu interior, criando o chamado “efeito estufa”,
permitindo assim a obtenção de temperatura ideal para o desenvolvimento das
culturas, mesmo em regiões de clima temperado. Acredita-se que por esse motivo,
em muitos lugares do mundo as casas de vegetação são também popularmente
chamadas de estufas agrícolas, embora nem sempre seja esse o efeito desejado
na proteção do cultivo.
A popularização da indústria dos polímeros plásticos, principalmente após a
segunda guerra mundial, possibilitou que outras regiões e outros climas
experimentassem a produção vegetal em sistema protegido. No Brasil o sistema
chegou por volta dos anos 60, com a cobertura de canteiros de morango e logo se
estendeu para outros cultivos como o tomate e o pepino.
Segundo Andriolo (1999), as culturas em sistema protegido tornaram-se
comuns dentro do ramo da horticultura, devido à necessidade de fornecimento de
produtos in natura e de boa qualidade ao longo de todos os períodos do ano. Por
20
sua vez os consumidores ao obterem uma consciência sobre a qualidade alimentar
e os benefícios do consumo de hortaliças frescas, passaram a buscar alternativas
para satisfazer esta necessidade independentemente da localização e clima do
local de cultivo.
Andriolo (1999), também pontua que necessidade de fazer agricultura em
regiões com clima desfavorável às culturas vegetais, deu origem a questões
complexas no que se refere ao “manejo do ambiente físico”. Questões
aparentemente simples como manejo da ventilação, elevação da temperatura e
momento certo de irrigação, passaram a tornar-se decisivas no processo produtivo.
Sabe-se que processos físicos como o clima podem afetar o aparecimento de
doenças e pragas, fatores bióticos que por sua vez interferem também na
produtividade. Para a tomada de decisão sobre a atuação ambiental é preciso levar
em conta alguns processos fisiológicos das plantas, como a fotossíntese. O fluxo
de carbono, água e nutrientes atua de modo diverso de acordo com as
características do meio ambiente onde está inserido o vegetal, por isso cada cultura
possui necessidades ótimas de desenvolvimento.
Purquerio & Tivelli (2010), consideram o cultivo protegido como sendo de
vários tipos: Túnel Alto: formado por arcos com altura de até 3 metros,
possibilitando a entrada de pessoas em seu interior para tratos culturais. Túnel
baixo, quando se trata de pequena estrutura com cobertura somente dos canteiros
com altura próxima de 0,8 a 1,0m. E ainda estruturas equipadas ou não com pilares,
cobertas com polietileno de baixa densidade (PEBD) e com baixo nível de controle
ambiental. Os mesmos autores fazem ainda uma distinção entre os termos: “cultivo
protegido” e “casas de vegetação”, sendo o primeiro com poucos ou mesmo sem
nenhum mecanismo de controle ambiental, e o segundo com rigoroso sistema
tecnológico, objetivando alterar o microambiente interno da edificação.
O avanço do cultivo protegido em escala comercial no mundo, ocorreu
devido a alguns fatores importantes, o primeiro deles foi a necessidade de produzir
alimentos em regiões distantes dos centros de origem dos vegetais e com clima
desfavorável. O segundo foi a melhor compreensão da nutrição química sintética e
rotas metabólicas das plantas, mas sem dúvida o principal fator de disseminação
dos cultivos protegidos, foi impulsionado pelo desenvolvimento da indústria de
“polímeros plásticos”, essa última tornou a tecnologia mais acessível
21
economicamente, possibilitando a construção de estruturas de cultivo em regiões
mais pobres do globo.
Os filmes plásticos em substituição ao vidro foram usados pela primeira vez
na década de 40 nos estados unidos. O advento do polietileno de baixa densidade
(PEBD) substituindo o vidro possibilitou, por sua vez, o surgimento e a adoção
crescente da agricultura em ambiente protegido nos trópicos. O plástico ainda que
permita a criação do efeito estufa, apresenta este com menor intensidade do que o
vidro, o que é desejável em climas tropicais. Nas regiões mais quentes e úmidas
do mundo, a agricultura protegida é realizada por outras razões que simplesmente
a proteção contra o frio, o objetivo é proteger as culturas, principalmente hortaliças
e ornamentais, da chuva, do vento, da luminosidade excessiva, das pragas e
doenças.
Em grande parte do Brasil, um dos limitantes à produção é a chuva em
excesso e o granizo em algumas regiões, fatores que podem prejudicar muito as
hortaliças, além de propiciar a disseminação de doenças fúngicas e bacterianas. É
importante salientar que na produção de hortaliças, tão importante quanto os
fatores quantitativos de produção é o fator qualitativo. O cultivo protegido inibe a
ação de alguns insetos, doenças e intempéries, atua dificultando a presença de
plantas espontâneas, e confere uma melhor qualidade de mercado às hortaliças
como característica visual atraente e maior aceitação pelos consumidores. A figura
02, mostra um cultivo em sistema aberto, sem estrutura de proteção. Percebe-se
que neste modelo de produção as culturas vegetais estão susceptíveis à uma
diversidade de agentes bióticos e abióticos, sendo eles os fatores climáticos como
temperatura, umidade radiação, presença de gases, entre outros, além de plantas
espontâneas, pragas e doenças.
Figura 2 - Cultivo de hortaliças em sistema sem estrutura de proteção.
22
A utilização de polímeros plásticos tem aumentado muito na agricultura, com
o intuito principal de proteger a cultura de interesse, seja para evitar plantas
espontâneas e economizar mão de obra de manutenção, seja para facilitar a
colheita e evitar doenças. Com a intensa urbanização da população brasileira, falta
mão de obra qualificada para trabalhar no campo e soluções que atendam essa
lacuna têm ganhado popularidade.
A cobertura plástica aplicada sobre o solo impede o crescimento das
espécies invasoras ao impedirem que a luz do sol chegue às mesmas e ao mesmo
tempo em que diminui a necessidade de mão de obra, previnem o uso de
herbicidas. Vale ressaltar ainda que essas coberturas podem auxiliar na economia
de água, diminuir as variações de temperatura e até mesmo ajudar a controlar
insetos praga, visto que plásticos de cor branca parecem confundir os insetos e
impedir que cheguem às plantas cultivadas.
A produção de hortaliças é uma alternativa atraente para o produtor rural em
termos de geração de renda, embora seja reconhecidamente uma atividade de
maior risco do que outros tipos de cultivos, principalmente pela maior
vulnerabilidade a problemas de fitossanidade, desordens fisiológicas e condições
climáticas. Além dos efeitos deletérios sobre a produção, a qualidade do produto
pode também ser comprometida, por isso se faz interessante utilizar mecanismos
que propiciem maior segurança ao agricultor no controle do desenvolvimento das
culturas.
Uma das principais finalidades do cultivo protegido moderno é o plantio das
culturas, normalmente hortaliças, em períodos ou locais em que as condições
climáticas não são adequadas ao cultivo à campo aberto. Nestes períodos, a oferta
dos produtos no mercado é mais baixa e sua cotação mais elevada.
Segundo Cermeño (1990), a produtividade dos vegetais em sistema
protegido é de no mínimo três vezes maior em relação ao cultivo em campo aberto
e ainda as características qualitativas do produto obtido são superiores no primeiro
em relação ao segundo. A figura 03 mostra o interior de um cultivo protegido, com
sistema de vasos e cobertura total do solo, demonstrando a importância do plástico
na agricultura moderna.
23
Figura 3 - Cultivo protegido de tomate em vasos com solo encoberto.
Fonte:http://www.yarabrasil.com.br/nutricao-plantas/culturas/tomate/fatores-chaves/estufa-
tomates/
Ferreira et al (1993), destacam que a produtividade das culturas em cultivo
protegido pode ser de até 4 vezes maior do que em campo aberto se bem
manejadas, e que a tendência futura na produção agrícola de hortaliças está no
crescimento da área de cultivo protegido, devido maior eficiência produtiva.
2.1 Cultivo protegido no Brasil e no mundo
Há vários países em que a agricultura sob plástico atingiu níveis avançados
de desenvolvimento tecnológico e altas produtividades. Estados Unidos, Reino
Unido, Espanha, Holanda e Israel vêm automaticamente à memória quando se fala
sobre produção de hortaliças protegidas. Em termos de crescimento de áreas com
cultivo protegido e de avanço tecnológico, é possível que nenhum desses citados
se iguale à Coreia do Sul.
Embora não seja o país com maior área em cultivo mundial, a Coréia do sul
possui crescimento relevante nos últimos anos. Em 1970 a área sob cultivo
protegido nesse país era de 762 hectares, mas a associação entre governo,
pesquisa e produtores incentivou um processo de desenvolvimento da agricultura
protegida coreana, tratando o assunto como questão de segurança alimentar
nacional. Conhecida como “White Revolution”, a revolução do plástico na
agricultura, o país deu um salto na produção e hoje há mais de 50 mil hectares de
24
cultivo protegido na Coreia do Sul, com um forte setor hortícola gerando mais de 5
bilhões de dólares por ano (EMBRAPA, 2014).
Tabela 01 - Panorama do cultivo protegido no mundo.
Crescimento do Cultivo protegido em duas décadas
Estimativa área cultivo protegido mundo em hectares
Posição País 1990 2010
1 China 600.000 3.350.000
2 Espanha 18.500 70.400
3 Coréia do Sul 3.800 47.000
4 Japão 24.000 36.000
5 Turquia 9.800 33.500
Outros 84 Países 60.000 134.000
Total 716.000 3.700.000
Fonte: adaptado de: Revista Horti-Brasil - Cultivo protegido em busca da eficiência produtiva.2014.
O Brasil é o maior país tropical do mundo em extensão territorial e, como
tal apresenta uma grande variabilidade de climas e solos em seu território. Embora
a produção de hortaliças sob ambiente protegido seja praticada desde o Sul
subtropical até a região Amazônica quente e úmida, as razões por que se adotam
práticas de agricultura protegida diferem de acordo com cada região.
Segundo Ferreira et. al (1993), no Brasil há cerca de 30.000ha em cultivo
protegido. O crescente interesse na produção de hortaliças sob ambiente protegido
está associado ao aumento de renda dos consumidores, à urbanização da
população brasileira e gradualmente à intensificação da preocupação com o
alimento “seguro”, com o decréscimo no uso de pesticidas químicos e com o
aumento na eficiência no uso de água.
Impulsionado por uma legislação trabalhista rigorosa, e pela falta de
infraestrutura básica de lazer e qualidade de vida no meio rural, têm tornado a mão-
de-obra para a agricultura escassa e cara, o que tem criado novos desafios para a
produção agrícola. A própria pesquisa científica voltada ao setor tem sido
pressionada a prover soluções inovadoras em termos de automação de práticas
agrícolas, mecanização para pequenas áreas e principalmente a expansão da área
de cultivo protegido de hortaliças.
25
A concentração da produção de hortaliças sob ambiente protegido ao redor
de áreas metropolitanas, as quais são as maiores consumidoras deste tipo de
produto, torna possível a redução da distância entre áreas produtoras e regiões
consumidoras, favorecendo a redução de perdas ocasionadas por transporte
inadequado e longas distâncias.
Alguns fatores têm impedido a adoção mais ampla da produção de hortaliças
em cultivo protegido no Brasil, como as altas temperaturas internas, sentidas
principalmente em empreendimentos no Centro-Oeste, no Nordeste e no Norte do
Brasil, mas também presentes eventualmente no Sudeste e mesmo no Sul. A
adoção de técnicas de controle da temperatura geralmente utilizadas em outras
regiões do mundo, como a utilização de ar-condicionado, esbarra no alto preço da
energia elétrica que inevitavelmente levaria ao aumento no custo de produção e no
preço das hortaliças.
Tendo em vista que o consumo doméstico médio de hortaliças pelo brasileiro
gira em torno de 27 quilogramas por ano, enquanto que na Coreia do Sul o consumo
médio é de 170 quilogramas por habitante/ano, fica claro que o produtor brasileiro
precisa produzir com melhor aproveitamento energético e oferecer o produto a
menores valores para estimular o consumo.
Existem diversas soluções técnicas para o cultivo protegido envolvendo
inúmeros materiais e aplicações. Atualmente o novo conceito de fazendas verticais
tem impulsionado a agricultura em meio urbano em países desenvolvidos, trata-se
de um sistema que apresenta completo controle dos parâmetros ambientais,
altamente modernos e confiáveis. Estas técnicas ainda são pouco conhecidas e
ainda menos utilizadas no Brasil, principalmente pela ausência de pesquisa e
validação científica em nosso país.
Singapura possui a primeira fazenda vertical comercial do mundo,
produzindo uma tonelada de vegetais por dia. Essa alternativa está sendo
fomentada pois o país atualmente produz apenas 7% de sua demanda interna de
vegetais. Com mais unidades verticais de produção a autossuficiência pode ser
alcançada em pouco tempo.
26
Figura 4 - Fazenda vertical em Singapura.
Fonte: http://ecoeficientes.com
A figura 4 mostra uma das 120 torres de cultivo de Singapura. As torres
possuem 9 metros de altura e 3 andares de cultivo. Estão em vias de projeto mais
300 torres, com capacidade para 2 toneladas por dia de hortaliças, o que atenderia
toda a demanda interna do local.
Outras edificações e projetos se estendem pelo mundo, com o mesmo
objetivo: cultivar em ambiente controlado e espaço reduzido com controle total
sobre os fatores ambientais obtendo produtos alimentares frescos e de alta
qualidade, em qualquer local, independente da condição climática.
A figura 5, mostra um sistema em carrossel para produção de hortaliças na
cidade de Jackson Hole, estado do Wyoming, nos Estados Unidos. O cultivo
protegido de 500m², contruído em um antigo estacionamento da cidade, produz
com 10% da quantidade de água de um cultivo normal, e apresenta produtos livres
de pesticidas. Percebe-se nesse sistema uma praticidade muito grande no manejo
das plantas nas bancadas, que se movimentam sobre um trilho de alumínio de
forma automatizada através de roletes, possibilitando a colheita em linha de forma
ergonômica e uma melhor eficiência no manejo das culturas.
27
Figura 5 - Fazenda vertical EUA.
Fonte:http://revistagloborural.globo.com/Noticias/noticia/2015/02/fazenda-vertical-no-estados-
unidos-produz-ate-20-toneladas-de-tomates.html.
Está em fase de finalização uma das maiores fazendas verticais conhecida,
em Scranton, Nova Iorque. A fazenda é idealizada pela mesma empresa Green
Spirit Farms, que construiu as torres em Singapura e utiliza pouco mais de 3
hectares de área. A fazenda utilizará estantes com sistema hidropônico, com
iluminação artificial em sistema LED que simulam a iluminação solar e aceleram os
processos fotossintéticos. A fazenda está programada para fornecer até 14
colheitas por ano: espinafre, couve, tomate, pimenta, manjericão e morango. O
projeto é cerca de 10 vezes maior que a primeira fazenda construída pela Green
Spirit Farms em Singapura.
Os projetos de fazendas verticais buscam solucionar vários problemas de
uma vez, possibilitando o acesso ao alimento fresco e acabando com a
problemática do transporte por longas distâncias, o que representa um circuito curto
de produção/comercialização. Esse tipo de empreendimento dribla o problema do
alto custo da terra, com mais produtividade por área, extinguindo praticamente toda
a necessidade de uso de agrotóxicos.
Muitas dessas tecnologias ainda estão longe de nossa realidade brasileira,
porém nosso país é historicamente um adotador de tecnologias estrangeiras, e é
provável que em alguns anos, experiências como as descritas acima façam parte
do nosso cotidiano tupiniquim. Porém, mesmo após a tecnologia desembarcar em
nossas terras, fica evidente uma característica em comum para essas soluções: o
alto custo de implantação, composto por diversos controladores lógico
28
programáveis, equipados com sensores, transdutores e atuadores sofisticados e
de alta demanda financeira, o que impede o acesso do pequeno agricultor à
tecnologia.
2.2 Principais Culturas e Ecofisiologia Vegetal.
As principais culturas produzidas em ambiente protegido, possuem uma
característica em comum: são de alto valor agregado, a exemplo do tomate, pepino,
pimentão, folhosas e temperos condimentares.
O clima é um fator que influencia a produção de hortaliças. No verão, as
chuvas demasiadas danificam as hortaliças e criam condições favoráveis para o
aparecimento de doenças, por outro lado o frio e os ventos do inverno acabam
prolongando o ciclo dessas culturas. Para auxiliar na resolução desse entrave é
que se faz uso do sistema de proteção, que se caracteriza pela construção de uma
estrutura, para a proteção das plantas contra os agentes meteorológicos.
2.3 Necessidades ambientais das culturas
A compreensão de alguns conceitos sobre a influência do ambiente sobre as
plantas, como estas respondem aos estímulos ambientais e seus fatores de
atuação são fundamentais para a correta compreensão dos sistemas de atuação
climática no interior do cultivo protegido.
Para Filgueira (2008), o conceito de “ambiente” é o conjunto de fatores
agroecológicos e agrotecnológicos externos à planta, que influenciam diretamente
o seu desenvolvimento e produção, como o clima, tipo de solo, adubação, irrigação.
Também fazem parte desse contexto o “genótipo”, que são as características
genéticas internas da planta. Quando o “genótipo” entra em contato com o ambiente
ele expressa o que é conhecido pelos cientistas como “fenótipo”, o fenótipo é a
parte visível da resposta da planta ao ambiente. Se o ambiente é hostil, a planta
apresenta um tipo de desenvolvimento, se o ambiente é amigável apresenta outra
forma. Assim a forma apresentada pela planta, ou a fisionomia da mesma, pode
indicar como estava o ambiente ao longo de seu desenvolvimento.
29
Segundo Filgueira (2008), existem duas formas de se avançar na tecnologia
voltada ao aprimoramento da olericultura, a primeira é trabalhar os vegetais e torna-
los aptos aos mais variados ambientes, como é o caso de variedades de alface,
resistentes ao calor excessivo, ou variedades de inverno que produzem
normalmente no verão. A segunda forma seria investir em estruturas de proteção,
tornando o ambiente propício para cada cultura, fornecendo um microclima ideal ao
seu desenvolvimento, para que nessas condições possa expressar todo seu
potencial genético.
Com isso a presente pesquisa atuou sob a luz da segunda ótica de solução
do problema, atuando sobre o ambiente para favorecer a expressão da planta.
Levando em consideração que algumas plantas são de difícil melhoramento e não
possuem variedades disponíveis ao cultivo protegido, a possibilidade de controlar
o ambiente, e torna-lo amigável às culturas possibilita que o olericultor tenha mais
liberdade produtiva e melhores rendimentos.
2.3.1 Influência da Temperatura
Por serem cultivadas por anos nas mais diversas condições, as culturas
oleráceas apresentam grande adaptação climática, as de ciclo curto sempre
encontram alguns meses com condições propícias mesmo em regiões fora de seu
habitat de origem. Cabe então ao agricultor, conhecer essas necessidades e ajustar
seu plantio em condições mínimas pareadas em sua região de cultivo. Para
Filgueira (2008), indubitavelmente a temperatura é o fator que mais influencia as
culturas vegetais, sendo também o principal fator limitante da produção.
Cada cultura possui uma faixa termoclimática ideal para desenvolvimento,
sendo que temperaturas abaixo desta podem alongar seu ciclo vegetativo, ou
provocar florescimento prematuro. Já temperaturas acima do ideal podem afetar a
qualidade final do produto (FILGUEIRA, 2008).
Para Cermeño (1977), para cada função vital da planta existem temperaturas
ótimas, sendo que abaixo ou acima destas o desenvolvimento produtivo está
prejudicado. A temperatura exerce influência sobre funções vitais da planta como,
respiração, fotossíntese, transpiração, germinação, crescimento, floração e
frutificação.
30
Segundo Purquerio&Tivelli (2010), a temperatura é um fator relacionado ao
clima, que age sobre diversas funções nas plantas, como: fotossíntese,
germinação, evapotranspiração, floração e frutificação. Nos países de clima
temperado, como os da Europa, com invernos muito rigorosos o ambiente protegido
possui a finalidade de aquecimento, tornando-se uma verdadeira “estufa” para
viabilizar a produção. Porém, nas condições climáticas brasileiras, consideradas
tropicais e subtropicais, a realidade é diferente, os cultivos de hortaliças podem ser
realizados o ano todo e o aquecimento natural demasiado do ambiente pode causar
problemas no cultivo das plantas.
Segundo Cermeño (1977), com temperaturas baixas a constituição das
células vegetais sofre precipitação em seu sistema celular, sendo que estas
desidratam-se e morrem. A maioria das plantas suportam temperaturas na faixa de
0° a 70°C, fora dessa faixa grande parte morre ou permanece em estado vegetativo.
O manejo da temperatura do ambiente protegido começa pela escolha do
material a ser utilizado, que está diretamente relacionado ao tipo de hortaliça que
vai se cultivar, ao tipo de solo e ao clima da região de produção. Sabe-se que cada
grupo de hortaliças possui uma necessidade fisiológica ótima de temperatura, a
qual pode não ser atingida em função do tipo de ambiente utilizado. Deve-se então,
prestar atenção em relação à altura do pé direito do ambiente quando se pensa em
cultivar plantas com porte mais alto como o tomateiro, ou plantas de pequeno porte
como as folhosas.
Segundo Andriolo (1999), durante os meses quentes do ano a radiação solar
pode facilmente atingir níveis acima do tolerado pelas plantas, essa radiação afeta
diretamente a temperatura no interior do cultivo protegido. A temperatura do ar e
do solo no interior de um cultivo protegido dependem em grande parte da energia
solar incidente.
Purquerio&Tivelli (2010), pontuam que hortaliças de porte herbáceo podem
ser cultivadas em ambientes com pé direito menor, ou mesmo com a ausência
desse, como é o caso dos túneis baixos ou túneis de cultivo forçado, porém sempre
se deve respeitar as necessidades térmicas da cultura. Quando a temperatura é
muito alta, é necessário usar recursos para a redução da mesma, nesse caso pode-
se realizar a abertura de janelas laterais, acionar um sistema de ventilação, ou até
mesmo fazer uso de nebulizadores. Uma fase de projeto inicial adequado e o
31
posicionamento da estrutura pode favorecer a ventilação natural dentro do
ambiente, e assim reduzir a temperatura.
Para Cermeño (1977), é necessário que ocorram diferenças de temperaturas
entre o dia e a noite para que o crescimento vegetal se processe de forma mais
adequada. Sabe-se que para frutíferas essa amplitude é fundamental na formação
dos açúcares e no amadurecimento dos frutos. O controlador desenvolvido no
presente trabalho levou em consideração essa informação e procedeu em
condições diferenciadas para o dia e para a noite.
Segundo Filgueira (2008), a temperatura oscila ao longo de 24 horas de um
dia completo, sendo na maioria das vezes a temperatura noturna menor do que a
diurna, fato este que é favorável às plantas, algumas espécies necessitam dessa
diferença entre 5° e 10°C para seu desenvolvimento completo. Como é o caso do
tomate que necessita de uma amplitude mínima de 6°C entre o dia e a noite para
se desenvolver adequadamente. Estudos indicam que a temperatura noturna
possui maior efeito sobre a planta do que a diurna. Em altas temperaturas noturnas,
o crescimento vegetativo é acelerado, porém são prejudicadas a floração e a
frutificação.
O uso de telas sintéticas de sombreamento é uma alternativa que vem sendo
largamente utilizada para amenizar a temperatura interna dos cultivos protegidos,
porém dependendo da intensidade de sombreamento, essas telas trazem um efeito
colateral sobre a luminosidade, diminuindo a radiação interna e causando
estiolamento nas plantas.
2.3.2 Influência da Umidade relativa do ar
A umidade relativa do ar no interior de uma estufa agrícola é afetada
diretamente pela temperatura, numa relação inversamente proporcional. Ela varia
ao longo do dia de acordo com a presença de radiação em amplitudes que podem
oscilar entre 30 a 100%. Ela está vinculada ao equilíbrio hídrico das plantas, onde
um déficit pode alterar a evapotranspiração, alterando assim a capacidade do
sistema radicular de absorver o soluto nutricional. Dessa forma, o manejo da
umidade do ar, também dependerá da cultura visando-se atender sua fisiologia de
crescimento e desenvolvimento.
32
Cermeño (1990), destaca que cada cultura exige uma umidade do ar
específica ideal para seu desenvolvimento, quando este valor de umidade aumenta
ou decresce em valores relevantes, os vegetais sofrem sérios desequilíbrios
fisiológicos, que afetam seu crescimento e produtividade.
Um efeito do excesso de umidade do ar no interior dos ambientes protegidos
é a condensação na face interna do filme plástico de cobertura e consequente
redução na transmitância da radiação solar. Para algumas culturas mais sensíveis,
a queda dessas gotas promove o aparecimento de manchas nas plantas. Para
melhor compreensão dos efeitos da umidade nas plantas e no ambiente protegido
é necessário que alguns conceitos de climatologia sejam explicitados como:
umidade absoluta, umidade relativa, ponto de saturação e ponto de orvalho.
Sabe-se que a definição de umidade é a concentração de vapor de água na
atmosfera num determinado momento, essa concentração se altera
constantemente de acordo com a temperatura do ar. A umidade absoluta é a
quantidade de vapor de água que existe em um volume de ar específico, e dentro
da estufa varia muito pouco ao longo de um dia quando a atmosfera está estável.
A unidade de medida para essa umidade é gramas por centímetro cúbico (g/cm³),
e essa quantidade máxima de umidade que o ar pode suportar, depende de sua
temperatura, numa relação diretamente proporcional, ou seja, quanto maior for a
temperatura, maior será a capacidade do ar conter água em um mesmo volume.
Isso ocorre até a umidade atingir um valor máximo, que é chamado de ponto de
saturação (CERMEÑO, 1990).
O ponto de saturação varia de acordo com a temperatura ambiente como é
mostrado na tabela 02:
Tabela 02 - Ponto de saturação em gramas de água por m³ de ar,
relacionado com a temperatura ambiente.
Temperaturas -10°C -5°C 10°C 25°C 30°C
Gramas de
água por m³
ar saturado
2,4 4,9 9,3 17,2 30
Fonte: - Adaptação de Cermeño 1990. Pg271.
33
A umidade relativa é a proporção entre a umidade absoluta e a umidade de
saturação, ou seja, o quanto de vapor de água existe em um volume em relação ao
valor máximo de água que este volume poderia conter a esta temperatura. Assim
estabeleceu-se que a umidade de saturação seja correspondente a 100%, e a
relativa o percentual de vapor absoluto relacionado ao valor de saturação. Assim
para uma mesma quantidade de vapor de água num volume igual de ar, o ambiente
estará mais ou menos úmido de acordo com a temperatura. De acordo com
Cermeño (1990), para um mesmo valor de umidade absoluta, as oscilações de
umidade são grandes dentro de um cultivo protegido ao longo de um dia, ficando
diretamente relacionado com as oscilações de temperatura atmosférica.
Diversas funções vitais das plantas são afetadas pela umidade relativa,
como: transpiração, fecundação, polinização, crescimento, susceptibilidade a
doenças entre outros. Tanto o excesso como a baixa umidade possuem efeitos
negativos. A alta umidade, diminui a transpiração e retarda o crescimento
vegetativo, e também propicia a infecção por patógenos como fungos e bactérias.
Outro efeito desagradável da elevada umidade do ar, ocorre quando a umidade
alcança o ponto de saturação, propiciando a condensação no interior do cultivo,
fato este que dependendo do tipo de filme plástico em uso, pode afetar a radiação
que penetra no ambiente interno da estufa. Atualmente existem no mercado filmes
plásticos “anti-gotejo”, que auxiliam as gotas formadas a escorrer pelo lado interno
do plástico para as laterais da estrutura, o tipo de cobertura influencia esse
processo.
Para a ocorrência da maioria das doenças a umidade do ar é um fator
essencial, sendo que, para possibilitar que estas apresentem um ótimo
desenvolvimento, a umidade do ar deve estar acima de 80%, principalmente no
caso de doenças fúngicas. Portanto, através do manejo correto da umidade
também se pode diminuir a incidência de doenças e consequentemente gerar
redução no uso de defensivos agrícolas, diminuindo o custo de produção.
(PURQUERIO & TIVELLI, 2009).
Cermeño (1990), afirma que no processo de transpiração a planta perde
água em forma de vapor pelos estômatos e pelas cutículas celulares. A
transpiração ajuda na ascensão da seiva bruta oriunda das raízes às partes aéreas
das plantas, e permite também que o dióxido de carbono absorvido pela planta seja
34
convertido em energia. Ao aumentar a temperatura e a transpiração a planta
necessita de maior quantidade de calorias e de água. Quando a umidade é muito
alta a transpiração é dificultada, mas a captação de água continua normalmente,
isso faz com que algumas espécies de plantas eliminem água pelos estômatos
aquíferos sob a forma líquida.
No período noturno, a umidade não afeta tanto a fisiologia da planta, pois a
fotossíntese cai a taxas praticamente nulas, cessando assim a transpiração, em
temperaturas normais. Quando as temperaturas noturnas são elevadas a
respiração continua ocorrendo, e assim a planta entra em déficit energético, já que
gasta calorias que armazenou durante o dia, para manter a estabilidade térmica
durante a noite, através da transpiração.
Um dos tratos culturais que influencia diretamente a umidade relativa do ar
no cultivo protegido é a irrigação, sendo que esta deve ser realizada corretamente,
através de monitoramento por tensiometria ou por sensores específicos. No manejo
da umidade do ar, a ventilação do ambiente pode auxiliar tanto para aumentar como
para diminuir a mesma. Outras medidas de manejo podem ser adotadas para se
elevar a umidade, como a pulverização das plantas com água. Nesse caso a água
pulverizada ao evaporar das plantas irá elevar a umidade e diminuir a temperatura.
(PURQUERIO & TIVELLI, 2009).
As plantas possuem uma fase de crescimento vegetativo e outra de
crescimento reprodutivo. No crescimento vegetativo a planta investe carboidratos
na formação da sua estrutura de sustentação e sistema de captação de energia, ou
seja ramos, folhas e raízes. Após a formação inicial e construção de seu corpo, a
planta inicia uma fase reprodutiva, onde forma estruturas especializadas para
perpetuação da espécie. Na fecundação das flores, os grãos de pólen amadurecem
nas anteras dos estames e em seguida dispersam-se de alguma forma, seja pelo
vento ou carregado por insetos, até encontrar uma outra flor feminina e germinar.
Segundo Cermeño (1990), a umidade do ambiente afeta a fecundação das
flores de duas formas principais, a primeira quando a umidade é alta, dificultando o
desprendimento do grão de pólen da antera de sua flor de origem, e quando este
se desprende leva junto consigo outros grãos de pólen, formando um conglomerado
na entrada do estigma e impedindo a chegada até os óvulos. Quando a umidade é
35
baixa, o ambiente muito seco absorve umidade do pólen e do estigma, impedindo
também a fecundação.
2.3.3 Influência da umidade do solo
A umidade do solo interfere diretamente no comportamento nutricional da
planta já que é através da água que os vegetais realizam sua nutrição. Um sistema
de irrigação bem dimensionado, pode suprir as necessidades de forma perfeita para
as plantas. Porém a demanda hídrica varia de acordo com o ciclo fenológico das
culturas e deve ser ajustado periodicamente, um sistema de controle automatizado
através de sensores permite que a água chegue na planta no momento exato em
que ela necessita, o que representa melhor crescimento e produtividade e maior
economia de água.
O solo é formado por partículas de diferentes tamanhos e formatos
irregulares que se agrupam de maneira aleatória deixando entre si espaços vazios
que contém ar e quando na presença de chuvas ou irrigação, preenchem-se
temporariamente com água. Cada tipo de solo possui uma capacidade de reter
água, de acordo com sua característica edafo-morfogenética..
2.3.4 Influência da radiação solar
Cassilhas (2000), afirma que a fotossíntese é um processo que consiste
basicamente em sintetizar mediante o emprego de energia luminosa e clorofila,
substâncias orgânicas, principalmente açúcares. No processo a planta captura o
gás carbônico presente na atmosfera, a água no solo, e os transforma em
carboidratos através de estruturas especializadas em suas células. Fato este, que
demonstra o quão importante é a energia luminosa para os vegetais, sendo esta a
mola propulsora da fotossíntese, o principal processo metabólico das plantas.
Para Cermeño (1990), a luminosidade possui grande importância nos
processos vitais das plantas, sendo que em seu desenvolvimento as principais
funções metabólicas estão relacionadas à energia luminosa. Assim a luz afeta
diretamente a fotossíntese, o fototropismo, o crescimento dos tecidos, a floração e
o amadurecimento dos frutos entre outras funções.
36
Segundo Paiva (1998), a radiação solar é o principal fator que limita o
rendimento das espécies tanto no campo, como em ambientes protegidos,
especialmente nos meses de inverno e em altas latitudes.
As distintas regiões do Brasil, em geral, mostram uma redução da radiação
solar incidente no interior do ambiente protegido com relação ao meio externo de 5
a 35%. Estes valores variam com o tipo de plástico (composição química e
espessura), com o ângulo de elevação do sol (estação do ano e hora do dia) e
também dependem da reflexão e absorção pelo material. No ambiente protegido a
fração difusa da radiação solar é maior que no meio externo, evidenciando o efeito
dispersante do plástico, que possibilita que essa radiação chegue com maior
eficiência às folhas das hortaliças no seu interior, principalmente as conduzidas na
vertical, ou cultivadas em densidade elevada onde uma folha tende a sombrear a
outra.
2.3.5 Influência da presença de CO2
A presença de gás carbônico em quantidade suficiente no interior do cultivo
protegido é fundamental para o processo de fotossíntese e influencia diretamente
o desenvolvimento dos vegetais. Em estufas muito longas, com comprimentos
maiores que cinquenta metros, ou estufas geminadas, pode ocorrer um déficit de
gás carbônico na área central das mesmas, onde a demanda interna é maior do
que a capacidade de renovação proporcionada pelo meio externo.
Segundo Cermeño (1990), o gás carbônico é imprescindível para a vida das
plantas, e na atmosfera destas, este composto decresce à medida que a
fotossíntese é realizada. A quantidade de gás carbônico no ar varia ao longo do
dia, atingindo maiores valores no período noturno e início da manhã e menores
valores próximo do meio dia e início da tarde.
O gás carbônico pode ser incrementado artificialmente no cultivo protegido,
e atualmente existem diversos sensores para seu monitoramento, porém o foco
deste trabalho foi desenvolver um controlador para pequenos e médios produtores
rurais, onde são presentes na maioria dos casos, estufas com dimensões de
quarenta a cinquenta metros de comprimento sem geminação, o que indica que o
37
monitoramento de CO2 no interior das estruturas é de desprezível influência na
produtividade das culturas.
2.4 Especificidades do cultivo de hortaliças herbáceas (Folhosas).
Devido ao ciclo rápido de produção e boa aceitação de mercado as folhosas
são amplamente cultivadas em sistema protegido. Com novas técnicas de plantio
e variedades melhoradas geneticamente, ocorreu nos últimos anos um crescente
processo de produção de hortaliças folhosas. Dentre as espécies mais cultivadas
a principal é a alface em todas as suas variantes: Americana, crespa, lisa, roxa
mimosa, frise entre outras. Rúcula, chicória, almeirão e agrião também possuem
importância nessa categoria de cultivo.
As folhosas não estão agrupadas em uma só família botânica, e sim
dispersas em diversas espécies em que a parte de interesse agronômico é a
folhagem ou a parte herbácea da planta. Segundo Filgueira (2008), as “asteraceas”
(compositae) abrangem as hortaliças folhosas mais consumidas em saladas e com
boa aceitação popular, nessa família botânica está a alface (Lactuca sativa), a
Chicória (Cichorium endívia) e o Almeirão (Cichorium inibitus). Essas espécies
segundo pesquisas, originaram-se de plantas silvestres ainda encontradas em
regiões de clima temperado no sul da Europa.
Figura 6 - Alface em fase vegetativa em sistema de cultivo protegido.
Fonte: https://pt.123rf.com/photo_24585151_cultivo-de-alface-em-estufa.html
38
As necessidades ambientais para a produção de folhosas são semelhantes,
por isso na programação do sistema eletrônico de controle para cultivo protegido,
essas culturas podem integrar um grande grupo homogêneo de produção. Somente
a alface possui diversas variantes, conforme figura 8.
Figura 7 - Espécies de alface cultivadas em sistema protegido.
Fonte: https://www.comoplantar.net/como-plantar-alface/variedade-alface/
Tabela 03 - Desenvolvimento das Hortaliças herbáceas em cada estádio
vegetativo versus temperatura.
Temperaturas Críticas para Folhosas
Congelamento das folhas -2°C a -4°C
Cessa Desenvolvimento 0 a 5°C
Minima 5°C
Germinação Ótima 18°C
Máxima 30°C
Desenvolvimento vegetativo Dia 20,7 a 25,3°C
Noite 13 a 17°C
Floração / Maturação Dia Não Aplic.*
*Somente na produção sementes Noite Não Aplic.*
A necessidade de umidade do ar para as hortaliças herbáceas assemelha-
se em todas as variantes, e possui importância secundária já que neste tipo de
39
cultivo não há entrada em fase reprodutiva, onde ocorreria maior sensibilidade à
umidade do ar devido às atividades de fecundação. Portanto um valor entre 80 a
85% de umidade relativa seria considerado ótimo em todo o curto ciclo das plantas.
Figura 8 - Cultivo de rúcula em sistema protegido.
Fonte:http://www.revistahidroponia.com.br/por-dentro-da-estufa/noticia.php?noticia=28518
3. METODOLOGIA UTILIZADA NO DESENVOLVIMENTO DO
PROJETO
Foi utilizada como base metodológica a proposta de Rozenfeld et al. (2015),
em que o desenvolvimento de produtos é tratado como um conjunto ordenado de
atividades, por meio das quais uma necessidade de mercado é avaliada e através
de uma série de processos, atendida. O desenvolvimento de produto leva em conta
as atividades iniciais de planejamento, até o acompanhamento final após o
lançamento do produto no mercado.
O projeto desenvolvido levou em consideração algumas soluções já
oferecidas para a automação de cultivo protegido, avaliando de forma coordenada
todas as variáveis envolvidas nos sistemas, desde sua apresentação e interface
com usuário, até capacidade de coleta de dados e precisão. Foi aproveitado o que
está disponível na literatura e ainda incorporado inovações ao sistema eletrônico,
como a orientação agronômica relacionada à fenologia das culturas, o que até
então não existia no mercado de controladores.
40
O processo de desenvolvimento de produtos envolve diversas fases, e conta
com um ciclo de vida do produto, que segue as seguintes fases: Planejamento do
produto; Projeto do produto; Planejamento do processo; Produção; Lançamento;
Uso; Retirada do mercado; Reciclagem e reuso.
O processo de desenvolvimento de produtos pode ser relacionado de acordo
com as fases do projeto, os custos envolvidos em seu desenvolvimento. Ao
analisarmos a figura 9, relacionada ao ciclo de vida de um produto, percebe-se a
necessidade de um bom planejamento inicial do processo, pois os custos de
investimento em todas as fases são elevados, principalmente na fase de
desenvolvimento, quando não há retorno financeiro. Portanto erros de projeto,
dimensionamentos incorretos e outras incertezas devem ser sanadas nessa fase
para evitar correções futuras e custos associados.
Figura 9 – Fases de desenvolvimento de produtos e fluxo de caixa.
Fonte: Rozenfeld, et al. 2015.
Nas fases de lançamento e crescimento, ainda os custos com pesquisa e
desenvolvimento fazem com que o retorno financeiro seja baixo, ou até mesmo
negativo. Essas fases iniciais são caracterizadas por alto investimento e alto risco.
O presente projeto de mestrado ficará na fase de desenvolvimento, até a produção
de um protótipo final, pois o lançamento e maturidade futura do projeto dependerá
de investimento e incentivo de outras entidades para prosseguir e alcançar uma
escala de produção comercial, se for o caso. Esse projeto é voltado a agricultores
41
familiares como uma solução prática e de baixo custo para melhoria de seu
processo produtivo diário.
Tendo em vista a metodologia acima citada e os passos a serem seguidos,
partiu-se como ponto inicial do projeto, uma extensa pesquisa de mercado, com o
intuito de coletar informações via internet e em lojas especializadas, visando
identificar produtos com finalidades semelhantes e que atenderiam a necessidade
de automação de casas de vegetação e que serão apresentados a seguir.
3.1 Modelos comerciais de equipamentos para o sistema
Para o sistema de monitoramento ambiental em casas de vegetação, são
ofertados no mercado uma ampla gama de modelos de sensores e sistemas de
controle.
Os sensores são os componentes eletrônicos mais utilizados no mundo da
eletroeletrônica, e estão presentes nas mais variadas situações do dia a dia,
constituindo a base da automação industrial, doméstica ou comercial (CAPELLI,
2013). Segundo o vocabulário internacional de metrologia (INMETRO, 2012), o
sensor é o elemento de um sistema de medição que é diretamente afetado por um
fenômeno, corpo físico ou substância que contém a grandeza a ser medida.
Para Rosário (2005), todos os elementos sensores são denominados
transdutores, pois tratam-se de dispositivos que recebem sinais externos e
apresentam uma resposta de saída da mesma grandeza ou diferente, a partir de
uma relação definida e em certa proporcionalidade.
Segundo Sinclair (1995), o sensor é o dispositivo que detecta e realiza a
mensuração de uma grandeza física, enquanto que o transdutor converte o sinal
captado pelo sensor em outra grandeza física. Para o vocabulário internacional de
metrologia, os transdutores de medição são dispositivos que fornecem uma
grandeza de saída com relação direta à grandeza de entrada (INMETRO, 2012).
De acordo com Rosário (2005), um sensor pode ser definido como um
transdutor que tem suas características alteradas por um fenômeno físico externo
ou mensurando externo, tais como: luminosidade, temperatura, campo magnético
entre outros. Assim um sensor muda seu comportamento sob a presença de uma
42
grandeza física, indicando direta ou indiretamente um sinal que corresponde à
variação da mesma com certa proporcionalmente.
Os sensores podem apresentar sinais de saída diferenciados dependendo
de seu aspecto construtivo e características. Um sinal pode ser classificado em
analógico, digital ou binário. O sinal analógico é aquele que assume diversos
valores em uma escala ampla, assumindo valores em toda escala. Um exemplo de
sinal analógico é o termômetro ou o voltímetro. Já o sinal digital é aquele que
assume valores finitos em uma escala. O sinal binário, só pode assumir dois valores
possíveis em uma escala, 0 ou 1 (ROSÁRIO, 2005).
Para Sinclair (1995), o sensor é parte do sistema de medida que responde à
variação da grandeza física, enquanto que o transdutor é responsável por transferir
a informação de uma forma de energia de um local do sistema até outro, inclusive
alterando a forma de energia no caminho em alguns casos.
Em função da utilização de energia os sensores podem ser diretos ou
passivos, quando não necessitam de outra fonte de energia diferente daquela em
que a variável está sendo mensurada, a exemplo de fotodiodos e termopares, ou
indiretos e ativos quando é necessário o fornecimento de energia adicional ao
sistema como: células de carga Strain Gauge e sensores com alimentação elétrica
em geral.
As principais características de um sensor são: linearidade e faixa de
atuação. A linearidade corresponde ao grau de proporcionalidade entre o sinal
gerado pelo sensor com a grandeza física, assim sendo, quanto maior a linearidade
mais confiável é a resposta do sensor ao estímulo externo. A faixa de atuação
corresponde ao intervalo de valores da grandeza que pode ser submetido o sensor,
sem que este perca precisão de funcionamento e linearidade (ROSÁRIO, 2005).
Rosário (2005), pontua que a acurácia de um sensor corresponde à razão
entre o valor real e o valor medido pelo sensor, e a resolução está diretamente
relacionada à precisão do mesmo. A repetibilidade de um sensor, corresponde à
variação dos valores lidos, quando uma mesma quantidade de coleta de
informações é repetida várias vezes. Um bom sensor possui alta repetibilidade, o
que proporciona a facilidade em realizar ajustes e correções de tendência na coleta
de informações e troca de sinais.
43
Nos modelos comerciais de sensores, ocorre uma grande variação de
informações técnicas disponíveis, sendo que a precisão e confiabilidade dos
mesmos, são na maioria dos casos diretamente proporcionais ao valor de mercado.
Existem soluções sofisticadas e de alto custo e soluções muito simples que beiram
o amadorismo. Na seleção dos sensores e dispositivos de controle para presente
projeto de automação, o objetivo fundamental se baseou em identificar uma solução
confiável e de baixo custo, com boa repetibilidade nos dados e possibilidade de
fácil aquisição no mercado para casos de reposição.
3.1.1 Transdutores para aferição de Umidade de Solo
O solo é uma mistura trifásica de materiais, constituído pela fase sólida,
líquida e gasosa. A água e o ar preenchem os espaços entre as partículas sólidas,
sendo que duas forças principais contribuem para a retenção de água no solo: a
coesão, que representa o nível de interação entre as moléculas de água, e a adesão
que está relacionada ao nível de atração exercido pelas partículas sólidas sobre a
água do solo (MARENCO & LOPES, 2013).
Segundo Larcher (2000), a capacidade de campo (CC) é o conteúdo hídrico
de um solo saturado com água, após toda a água gravitacional percolar
naturalmente. Solos com texturas finas e com grande presença de colóides
possuem a capacidade de armazenar maior quantidade de água do que solos de
textura grossa. A capacidade de campo aumenta em ordem crescente segundo
partículas de areia, silte, argila e solo orgânico, sendo este último o que apresenta
a maior capacidade de retenção de água.
Para Marenco e Lopes (2013), o solo exerce força sobre a água,
proporcionando uma adesão às partículas que o compõem. Quando a umidade do
solo cai a níveis muito baixos, não mais permite que este libere água para o sistema
radicular, ocasionando assim o murchamento das culturas vegetais ali presentes.
Esse ponto é conhecido como: ponto de murchamento permanente (PMP),
indicando que se esta condição permanecer ao longo do tempo, ocasiona a morte
da planta. Um solo com a umidade próxima do PMP, já afeta drasticamente a
produtividade e o desempenho das culturas.
44
A determinação da umidade do solo pode ser obtida direta ou indiretamente,
os métodos diretos são executados em laboratórios onde uma amostra de solo
passa por processos de secagem e averiguação de massa úmida e seca, tornando
assim possível quantificar com exatidão a quantidade percentual de água presente
na amostra. O inconveniente destes métodos é o tempo necessário para realiza-
los, pois levam em média 24 horas para apresentarem resultados.
Portanto os métodos indiretos, que são obtidos por meio de sensores e
transdutores de umidade de solo, são adequados para tomada de decisão quanto
ao momento certo da irrigação e aplicabilidade prática na automação, já que
apresentam estimativas em tempo real.
Para um correto manejo da irrigação é necessário que se utilizem sistemas
de aquisição de dados de umidade do solo confiáveis, a fim de manter sempre a
umidade do solo acima do ponto de murchamento permanente e abaixo da
capacidade de campo. Como os métodos para determinação desses valores
críticos de umidade do solo, demandam tempo e em alguns casos exigem
condições de laboratório, faz-se necessário dispor de equipamentos que realizem
esta mensuração em sistema indireto e em tempo real, é nesse caso que optamos
por sensores eletrônicos de umidade de solo.
Existem diversas tecnologias eletrônicas aplicadas na aquisição de dados
de umidade do solo. A tecnologia resistiva e capacitiva é bastante comum em
transdutores comerciais de umidade de solo. Outros sistemas como indutivo e de
condutividade elétrica também estão presentes, porém em menor disponibilidade.
Os transdutores de solo com princípio resistivo, realizam a aquisição de
dados de resistência elétrica do solo e correlacionam os valores com a umidade do
mesmo. São compostos de dois eletrodos imersos no solo e o princípio de
funcionamento leva em consideração que quanto maior for a umidade do solo,
menor a resistência elétrica apresentada. Os transdutores com tecnologia
capacitiva possuem como princípio fundamental a leitura da capacitância entre dois
eletrodos, levando em conta o solo como elemento dielétrico.
Transdutores capacitivos e resistivos possuem limitações e incertezas nas
aquisições devido à temperatura do solo, salinidade, presença de gases entre
outros, porém a necessidade de precisão na determinação de umidade do solo não
é fator fundamental na produtividade, o erro nas medidas pode perfeitamente ser
45
contrabalanceado com o uso de algoritmos de média e considerações sobre valores
mínimos e máximos de aquisições, realizado por controladores especializados,
bem como as culturas vegetais possuem uma margem grande de tolerância em
níveis de umidade ótima de solo.
Outra forma de se mensurar a umidade do solo é através de tensiômetros,
que são dispositivos que mensuram o potencial matricial do solo, utilizando sistema
de cerâmica em cápsula blindada. Quando em contato com o solo seco, ocorre uma
sucção no interior da ampola blindada, aumentando a pressão interna. Essa
variação de pressão é mensurada e correlacionada com a quantidade de água
presente no solo. Tensiômetros são mais precisos que sensores eletrônicos, mas
apresentam problemas de operação em condições de solo encharcado ou
demasiadamente seco, além de necessitarem um tempo de resposta maior para
determinação da leitura.
Transdutores eletrônicos de umidade de solo são amplamente disponíveis
no mercado, o que os diferencia, a exemplo de outros componentes eletrônicos é
a funcionalidade disponível, precisão e confiabilidade. Temos sensores de baixo
custo e precisão mediana até sensores sofisticados e alta precisão, no APÊNDICE
III estão descritos os principais sensores pesquisados para compor o projeto e suas
características técnicas.
3.1.2 Transdutores de temperatura
A temperatura é a medida numérica do nível de energia térmica de um corpo,
portanto diversos componentes estão disponíveis para execução desta tarefa. A
tecnologia mais comum para aferição da temperatura em casas de vegetação é
através de variação de resistência de alguns materiais com a temperatura do meio.
O aumento da temperatura de um corpo, aumenta também a resistência
elétrica do mesmo. Também temos transdutores eletrônicos baseados em circuitos
integrados e semicondutores, bem como termistores que alteram sua corrente de
saída de acordo com a temperatura do meio em que se encontram.
Comercialmente temos uma diversidade grande de possibilidades para
mensurar a temperatura do ambiente e listamos no APÊNDICE IV os principais
componentes e elementos estudados na montagem do projeto.
46
3.1.3 Transdutores de umidade do ar
A umidade do ar pode ser expressa através do conteúdo volumétrico de água
em uma massa conhecida de ar a certa temperatura. Uma das formas de expressar
a umidade é apresentando a umidade relativa do ar em percentual, indicando a
quantidade de vapor de água no ar (%), em relação à quantidade de água no ar
saturado à mesma temperatura e pressão (CASTILLA, 2005).
A umidade relativa do ar pode ser medida através de Psicrômetros, que
levam em conta a velocidade de evaporação da água no ar. Para isso são utilizados
dois termômetros idênticos, um com bulbo seco e outro com bulbo úmido. A
diferença entre as temperaturas é colocada em uma escala que fornece a umidade
relativa. Quanto menor for a umidade do ar, mais arrefecido fica o termômetro de
bulbo úmido, devido à maior velocidade de evaporação da água, ocasionando
assim uma maior diferença entre as temperaturas (Figura 10).
Figura 10 - Psicrômetro com base fixa.
Fonte: http://www.gisiberica.com/Psicometros/psicrometro.htm
Segundo Vianello & Alves (1991), a medição da umidade do ar pode ser
realizada por higrômetros de cabelo, que são dispositivos que aproveitam a
variação de comprimento de tecidos de origem animal, no caso cabelos humanos
ou crinas de cavalos, em resposta à variação da umidade relativa do ar. Este
47
dispositivo utiliza fios de cabelo interligados a um sistema de mola ou potenciômetro
que relaciona a dilatação ou contração do fio à uma escala calibrada de umidade.
Trata-se de um sistema com alta precisão, mais utilizado em estações
meteorológicas analógicas, porém com baixa funcionalidade e aplicação na
automação, pela dificuldade em interligar o sistema a um sistema de controle e
aquisição. Um Higrógrafo (figura 11), é um higrômetro de cabelo associado a um
cilindro de aquisição com escala numérica, é um dispositivo bastante conhecido por
meteorologistas para registro da umidade relativa atmosférica.
Figura 11 - Higrógrafo de cilindro.
Fonte: http://www.jgarraio.pt
Uma outra forma de aferir a umidade do ar é realizada com a utilização de
transdutores capacitivos. A tecnologia capacitiva utiliza o ar ou meio atmosférico
como dielétrico de um capacitor, variando assim sua capacitância de acordo com a
umidade relativa. Esse princípio é amplamente utilizado em transdutores
eletrônicos, e possibilita que as leituras sejam facilmente convertidas em sinais de
tensão, o que propicia sua leitura por diversos controladores comerciais. Os
sensores DHT11 e DHT 22 apresentados no APÊNDICE XIX, fazem uso do
princípio capacitivo para leitura da umidade do ar, e combinado com termistores
para aferição da temperatura compondo termo higrômetros de baixo custo e com
alta aplicabilidade na automação.
48
3.1.4 Transdutores de radiação
O sol emite diariamente radiação ao sistema solar em forma de ondas
eletromagnéticas, as ondas emitidas pelo sol são em sua maioria ondas curtas e
interceptam os planetas e principalmente a terra proporcionando a formação de
calor e luminosidade. Esta energia que entra diariamente em nosso sistema, é que
permite a ocorrência de diversos processos biológicos importantíssimos, sendo o
principal deles a fotossíntese.
Segundo o documento número 8, da Organização Mundial de Meteorologia,
que trata da certificação e confiabilidade de estações meteorológicas, bem como
dos instrumentos e medições de variáveis climáticas, a radiação é um parâmetro
de fundamental importância para os estudos climáticos globais, afetando
diretamente aspectos qualitativos e quantitativos dos processos bioclimatológicos
terrestres (WMO, 2014).
Ao longo de um dia a luminosidade do sol irá atingir a superfície de uma certa
localidade no planeta, em intensidades diferentes, tendo o seu ápice de radiação
próximo ao horário de meio dia. A terra ao receber as ondas curtas provenientes
do sol, aquece-se e emite também ondas eletromagnéticas de formato longo. No
interior de um cultivo protegido, a cobertura impede que parte dessa radiação de
longo comprimento saia para o exterior, proporcionando o aumento da temperatura
interna em relação à externa, o que causa o chamado efeito estufa.
Dependendo de que material um corpo físico é formado, e de suas
propriedades de textura e coloração, esse corpo é capaz de reter ou emitir certa
quantidade de radiação. Um corpo absolutamente negro, recebe e absorve toda a
radiação que incide sobre si, e a emissividade de radiação deste corpo irá depender
da temperatura em que se encontra.
Ao atingir um corpo a radiação poderá sofrer reflexão, absorção ou
transmissão. Ao sofrer reflexão parte dessa radiação será refletida para outro meio.
Ao sofrer absorção essa radiação penetra a matéria do corpo e aumenta a
temperatura do mesmo, e a parte da radiação que atravessa o corpo e é levemente
alterada em sua saída, é a parte da radiação transmitida pelo mesmo.
49
Chama-se balanço de radiação a contabilidade de entradas e saídas de
radiação de um sistema. A radiação líquida (RL), é a soma dos balanços de ondas
curtas e ondas longas, emitidas pelo sol e pela terra respectivamente. Cada
constituinte da atmosfera e do meio possui um comportamento em relação à
radiação. As nuvens, os gases e os materiais translúcidos possuem certa
capacidade de transmitir ou reter parte da radiação, é o que ocorre nos sistemas
de cultivo protegido onde alguns polímeros como o polietileno de baixa densidade
(PEBD), possuem capacidades de alterar o curso da radiação incidente.
Em estações meteorológicas o equipamento mais comum para aferição da
radiação é o piranômetro (Figura 12), que pode operar através de termopilhas que
convertem a energia solar em corrente elétrica, ou mesmo com fotodiodos que
operam em corrente na presença de luminosidade. Os piranômetros apresentam a
radiação solar em Watts por metro quadrado (W/m²).
Os piranômetros podem ser construtivamente de diversos modelos e sua
precisão varia de acordo com a tecnologia de cada equipamento. No documento
de número 8 da Organização Mundial de Meteorologia, estão descritas as
características necessárias para cada equipamento, a fim de que suas medidas
tenham validade internacional no que concerne à confiabilidade dos dados.
O ANEXO IV, demonstra as tabelas com os parâmetros desejáveis para
transdutores de radiação segundo normas internacionais de metrologia. O presente
trabalho, por se tratar de um sistema simplificado e de baixo custo não direcionou
a aquisição de dados ambientais com equipamentos de alta precisão, porém a
pesquisa e conhecimento de tais equipamentos permite que outros transdutores e
sensores sejam comparados e avaliados a posteriori.
Figura 12 - Piranômetro Eplley SPP de termopilha.
Fonte: http://recursosolar.geodesign.com.br/Pages/Pyranometer_RS.html
50
Para aferição da radiação no interior do cultivo protegido, pode-se lançar
mão de algumas tecnologias simplificadas como transdutores de luminosidade
eletrônicos e sensores de radiação global resistivos. Os sensores comerciais que
utilizam o princípio da variação de resistência de alguns materiais à luz, conhecidos
como resistores de luminosidade ou simplesmente LDR do inglês “light dependent
resistor” são bastante comuns em aplicações onde não se exige grande precisão
de controle da luminosidade ou seleção de faixas de radiação (figura 13).
Figura 13 - Sensor LDR detecção de iluminação global.
Fonte: http://projectshopbd.com/product/ldr-big-l12/
No mercado de sensores existem ainda soluções diversas para aferição da
radiação, luminosidade, luminância, radiação fotossinteticamente ativa (PAR) ou
(RFA), não mencionadas no presente trabalho, mas que podem ser aplicadas de
acordo com as especificidades de cada projeto.
Para o presente trabalho a necessidade de aferição da radiação, se dá
principalmente para verificar a ocorrência do período diurno e noturno, pois a
programação prevê condições diferenciadas em cada caso, bem como para acionar
o sistema de sombreamento em caso de excesso de luminosidade no interior do
ambiente protegido. Para atender as necessidades deste projeto um sensor LDR
simples, interligado a um resistor formando um divisor de tensão seria suficiente
para alimentar o sistema com as características de luminosidade do meio.
Para cultivos onde existe a necessidade de uma maior precisão, ou
condições onde é necessário um estímulo à fotossíntese, pode-se lançar mão de
outras tecnologias, como: iluminação especial, controle do espectro interno ao
ambiente protegido e sistemas de visão para interpretação do cultivo, entre outros.
51
3.1.5 Soluções para o controle ambiental em cultivo protegido
O controle ambiental em cultivo protegido pode ser realizado de diversas
formas de acordo com grande variedade de produtos disponíveis e capacidade de
investimento do olericultor. Para aplicações mais sofisticadas e sensíveis, recorre-
se a sistemas industriais de monitoramento, com sensores de alto custo, precisão
apurada e controladores lógico programáveis (CLP).
A pesquisa de produtos com funcionalidades semelhantes, relacionada ao
monitoramento e controle ambiental, foi realizada via internet, em sites de
fabricantes dos produtos mecatrônicos voltados para a área agrícola,
principalmente no manejo de irrigação. Também foram pesquisados catálogos de
fabricantes e informativos técnicos de sistemas eletrônicos acessórios, como
sensores e atuadores de modo geral.
3.1.6 Modelos comerciais de controladores ambientais
A empresa Hunter, uma das mais tradicionais empresas de irrigação de
nosso país possui um controlador comercial chamado: ”Eco-Logic” (Figura 14), que
possui funcionalidades de programação simples e interface amigável,
compatibilidade com sensores meteorológicos externos e sistema de memória para
aquisição de dados climáticos e de acionamento de atuadores. É um dos mais
simples controladores da empresa, e seu valor de mercado é modesto, porém os
equipamentos acessórios de monitoramento ambiental devem ser adquiridos
separadamente. Um dos pontos que chamou a atenção neste controlador é a
interface simples e os poucos botões de operação e programação - apenas seis
botões. Essa característica foi levada em consideração como “ponto forte” deste
controlador, já que simplifica muito a operação do mesmo.
52
Figura 14 - Controlador Hunter Eco.Logic.
Fonte:https://www.hunterindustries.com/es/support/eco-logic-instalacion
Outro importante controlador da empresa Hunter é o “I-Core”, que se trata
de um controlador para aplicações comerciais e residenciais mais complexas
(Figura 15). O sistema inclui monitoramento de fluxo de água, acesso rápido ao
controlador por porta especial de acesso remoto e possibilidade para seleção de
seis idiomas. É um controlador mais abrangente tanto na quantidade de atuadores
como nas funcionalidades de programação, essas características refletem também
em seu custo, que é maior que o controlador Eco-logic, apresentado anteriormente.
Além dos sete botões de seleção de programação, chama atenção a chave seletora
central, que ao ser posicionada na seleção da programação de irrigação também
permite que a funcionalidade de programas seja multiplicada por doze, ampliando
a aplicabilidade deste equipamento nas mais diversas situações.
Fonte: http://www.hunterindustries.com/pt/product/controladores/icore
Figura 15 - Controlador I-CORE.
53
O controlador ACC (Figura 16) é um dos primeiros em qualidade da linha
Hunter, possui todas as funcionalidades presentes nos controladores já
apresentados e ainda apresenta modularidade, uma função bastante desejável pois
possibilita instalar quantas unidades de irrigação forem necessárias em um projeto,
permitindo que o sistema seja de grande porte com uma quantidade elevada de
sensores e atuadores.
É o mais avançado controlador da empresa: monitoramento de vazão,
execução de vários programas ao mesmo tempo, em sistema localizado e
diferenciado em áreas distintas, acesso remoto e interligação com sistema de
coleta de dados meteorológicos são algumas das funcionalidades deste modelo.
Um gabinete com proteção contra intempéries também é característica interessante
deste modelo. O sistema possui nove botões de programação e doze posições na
chave seletora, exigindo do operador um certo nível de conhecimento para
operação.
A caixa de proteção com sistema de fechamento e borracha de vedação são
características que foram aproveitadas na conceituação do presente projeto de
mestrado, já que esta proteção se configura de grande importância para o sistema
operar em ambientes críticos como os da agricultura.
Fonte: http://www.hunterindustries.com/pt/product/controladores/acc
Outra tradicional empresa do ramo de irrigação, a Rain Bird, possui algumas
soluções para o controle ambiental e monitoramento da irrigação. O controlador
comercial ESP – XLME (Figura 17), voltado para aplicações em irrigação de porte
médio a grande, possui um display LCD, e promete interface de fácil navegação.
Figura 16 - Controlador ACC empresa Hunter.
54
Módulos de expansão de encaixe rápido, apresentando modularidade facilita a
manutenção e a possibilidade de personificação para diversos perfis de clientes.
Possui entrada para estação meteorológica externa opcional. Possibilidade de
opção por seis idiomas diferentes de interface, e ainda alimentação extra através
de no-break interno com bateria de backup.
Figura 17 - Controlador Rain Bird ESP – XLME.
Fonte: www.sprinklerwarehouse.com/Rain-Bird-Sprinkler-Irrigation-Controller
Percebe-se nos controladores apresentados uma preocupação com a
funcionalidade do sistema e simplicidade de operação. Caixas de proteção em
sistema injetado e de alta resistência, poucos botões e chaves de seleção rápida
são características marcantes que foram levadas em conta na tomada de decisão
na concepção do sistema de controle ambiental de baixo custo para estufas
agrícolas.
Diversos outros controladores são disponibilizados no mercado, e exigem
uma extensa pesquisa, porém para o presente projeto foi determinado um foco nas
principais soluções disponíveis no meio rural e urbano, que seriam de fácil acesso
e aquisição por consumidores e agricultores.
Outras soluções de mercado oferecidas por empresas especializadas,
incluem o monitoramento das variáveis climáticas, sem atuação ambiental ou saída
para acionar mecanismos, o que configura apenas uma estação meteorológica, e
sendo assim não inclusa na pesquisa, por não realizar o controle de atuadores
externos.
55
Foi direcionada a pesquisa para alguns controladores comerciais e realizada
comparação entre equipamentos. Existem no mercado diversas soluções para o
controle somente da irrigação, porém sistemas “completos” para o controle
ambiental com monitoramento de temperatura, umidade e radiação são mais
escassos de se encontrar no mercado nacional. Na maioria dos casos ocorre que,
para realizar a tarefa de monitoramento e controle ambiental é necessário por parte
do agricultor, a aquisição de módulos de estação climatológica em separado do
sistema de controle geral.
Uma alternativa utilizada por empresas especializadas é a utilização de um
Controlador Lógico Programável, associado com sensores diversos e programação
individualizada. A empresa Zanatta estufas agrícolas, uma das principais empresas
do ramo de cultivo protegido possui algumas soluções de automação para o cultivo
protegido e publica em seu site fotos dos dispositivos. A figura 18 representa um
quadro de comando com chaves e contactoras disponibilizado e montado pela
empresa para controle de casas de vegetação.
Fonte: Zanatta estufas agrícolas. www.zanattaestufas.com.br
Soluções como a da figura 18 são bastante comuns no meio rural para
automação de casas de vegetação que passam por acompanhamento técnico de
grandes empresas. Para a pequena propriedade rural soluções como esta ficam
mais distantes, devido à complexidade de componentes e integração de peças que
estão fora do alcance do agricultor familiar.
Figura 18 - Painel de controle para casas de vegetação com CLP montado pela empresa Zanata Estufas Agrícolas.
56
Figura 19 - Painel de acionamento manual e controle de casas de vegetação.
Fonte: Zanatta estufas agrícolas. www.zanattaestufas.com.br
A figura 19 demonstra mais um quadro de comando com leds indicativos de
estado, e chaves para acionamento manual de dispositivos. O quadro apresenta
uma grande dimensão e aparentemente o acionamento é realizado manualmente.
Possivelmente esse sistema conta com sistema de sensores e alarme de estado
crítico. Quando algum parâmetro na produção não está dentro do nível aceitável o
sistema aciona uma sirene, e um operador dirige-se ao quadro e aciona o atuador
correspondente para atenuação ambiental. Sistemas semelhantes a este são
utilizados em criação animal, montados em aviários e galpões de suínos em
sistema intensivo.
3.1.7 Projetos independentes de controle ambiental para estufas agrícolas.
Existe atualmente na literatura uma diversificada gama de projetos
relacionados à automação de cultivos protegidos. Alguns projetos de controle muito
simplificados, são realizados por estudantes de cursos técnicos e de graduação
nas áreas de tecnologia, outros por profissionais e desenvolvedores independentes
que buscam atender uma demanda de mercado. Uma característica importante
nestes projetos é a falta de conexão agronômica com o sistema de controle. Pouco
ou nenhuma informação relacionada às culturas vegetais estão presentes nestes
projetos, já que são desenvolvidos por profissionais da área eletrônica e
tecnológica, tornando o sistema pouco aplicável na prática.
57
Cansado (2003), apresentou um controlador para casas de vegetação com
o uso de um CLP e sensores de precisão em seu trabalho de desenvolvimento. Sob
a denominação de Agrilogic (Figura 20), seu controlador realizou atuação
satisfatória em casas de vegetação, contando com software supervisório de
monitoramento e área experimental instalada no instituto de biociências da
Universidade de São Paulo. O controlador conta com sistema sofisticado de
algoritmos e desenvolvimento de software específico para controle de atuadores,
porém como recomendação de melhorias futuras do trabalho, aponta para a
necessidade de maiores informações sobre as culturas vegetais para incremento
do sistema.
Figura 20 - CLP Agrilogic e sistema supervisório, Cansado 2003.
Fonte: CANSADO, 2003.
Capelli, (2013) em trabalho realizado no departamento de engenharia
elétrica da Universidade de São Paulo, campus São Carlos, propôs a construção
de uma estufa agrícola com as variáveis controladas remotamente via internet,
utilizando a plataforma ubuntu/Linux e sistema Arduino. O trabalho foca
principalmente no acesso remoto do sistema e utiliza projeto precário de
prototipagem, impossibilitando assim uma real aplicação prática da tecnologia
(Figura 21). O sistema de monitoramento remoto das variáveis apresenta-se com
pouca funcionalidade e aplicabilidade prática, além de não trazer informações e
parâmetros relacionados às culturas vegetais.
58
Figura 21 - Protótipo estufa e sistema de monitoramento on-line, Capelli.
Fonte: Capelli, (2013).
Barreto e Santos (2012), realizaram um projeto de estufa automatizada para
plantas pela Universidade Tecnológica do Paraná, para tanto utilizaram a
tecnologia ARM 11 e Interface Home máquina (IHM) com sistema de display
sensível ao toque (Figura 22). Os autores apresentam em seu trabalho alguns
parâmetros ideais de temperatura e umidade para as culturas vegetais, o que
representa um avanço em relação a outros trabalhos desenvolvidos e
apresentados, porém os valores ótimos utilizados como set points de programação
não levam em consideração a idade fisiológica das plantas o que os torna mais
ineficazes no atendimento das necessidades climáticas dos vegetais.
Figura 22 - Controlador ARM, Friendly ARM tiny 6410 com display touch embutido.
Fonte: BARRETO & SANTOS 2012.
59
A escolha do controlador ARM foi realizada pelo critério de ter um display
touch embutido, o que na visão dos autores seria um diferencial no projeto (Figura
23) pela facilidade de acesso, pode ter sido uma escolha equivocada, já que o
ambiente agrícola é bastante hostil e o operador destes sistemas nem sempre
possui intimidade com tecnologias touch. Possivelmente um sistema destes ao
entrar em operação no meio rural, teria sua vida útil prejudicada pelo desgaste ou
pelo mau uso por parte dos operadores.
Figura 23 - Protótipo sistema de controle casa de vegetação proposto por BARRETO e SANTOS 2012.
Fonte: BARRETO & SANTOS, (2012).
Hemkemaier (2015), em seu trabalho de mestrado pelo Instituto Federal de
Educação Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, propôs o desenvolvimento de
uma plataforma de hardware para automação de cultivo protegido. Percebe-se
neste projeto uma aplicação da tecnologia de forma integrada com parcerias entre
a instituição de pesquisa e tecnologia com a instituição de extensão rural, no caso
IFSC e Epagri. Porém algumas metodologias experimentais aplicadas e o protótipo
desenvolvido foram insuficientes para chegar a um resultado definitivo sobre a
automação de cultivos protegidos. A pesquisa de desenvolvimento de produtos e a
insuficiência de resultados estatísticos metodológicos podem ter impossibilitado o
avanço do projeto para a real aplicabilidade prática do sistema.
60
Figura 24 - HEMKEMAIER (2015). Protótipo de estufa e sistema de controle para estufas.
Fonte: Hemkemaier (2015).
O trabalho de Hemkemaier (2015), apresenta uma perspectiva de
controlador de estufas com custo acessível ao pequeno produtor rural (Figura 24),
e apesar das deficiências na metodologia experimental, traz uma IHM interessante,
com poucos botões de programação. A falta de controle da luminosidade e de
informações sobre as culturas foram pontos que poderiam ser melhor explorados
por serem fundamentais no cultivo protegido.
Romanini et al. (2010), implementou em um sistema de controle para cultivo
protegido a lógica Fuzzy, em experimento realizado no laboratório de automação e
controle (LIC) da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Neste trabalho
foram apresentados resultados de desempenho de controle simultâneo de
temperatura e umidade relativa, e interferência em lógica específica. O trabalho traz
como base a análise matemática das variáveis que são interdependentes como o
caso da umidade e temperatura, porém o mesmo não tem o objetivo de desenvolver
ou oferecer um sistema de controle das variáveis climáticas, ao contrário do que
seu título propõe (Figura 25).
61
Figura 25 - ROMANINI (2010). Protótipo em escala para análise de variáveis em lógica Fuzzy.
Fonte: Romanini et al (2010).
Ainda neste capítulo, poderíamos citar uma diversidade de trabalhos
relacionados à automação de cultivos protegidos, eles são fartamente disponíveis
na internet e bibliografias. Há desde projetos amadores, até sistemas ricamente
elaborados. Porém não foram encontrados controladores com parâmetros
assertivos relacionados às culturas vegetais, que salvo melhor juízo, deveriam
orientar o processo de controle ambiental.
Percebe-se que muito esforço foi dedicado à programação e funcionamento,
de sistemas eletrônicos e supervisórios complexos - que são a área de domínio dos
profissionais da eletrônica, elétrica e informática - e pouco se tem de avanço no
tangente aos caracteres agronômicos das culturas, motivo este que inviabiliza a
aplicação prática da maioria dos projetos já existentes.
3.1.8 Patentes e Registros de produtos na área de Automação de Cultivo
Protegido.
Avaliar o registro de marcas e patentes no âmbito da agricultura de precisão,
voltadas ao desenvolvimento de produtos destinados à automação de cultivo
protegido, que possam ter funções semelhantes ao produto objetivo deste trabalho
é uma recomendação da metodologia de desenvolvimento de produtos, e trata de
uma etapa inicial necessária ao projeto. Uma pesquisa elaborada de forma correta,
pode evitar problemas futuros no que concerne ao registro de ideias e possíveis
conflitos com outros desenvolvedores.
Na pesquisa de patentes e mercadológica foram encontrados produtos com
funcionalidades semelhantes às constantes neste trabalho, bem como uma série
62
de registros de subsistemas, ou seja, desenvolvimento de técnicas de ventilação,
fechamento, tomada de dados, irrigação, entre outros. Existem soluções pontuais
para cada fator ambiental, em sistemas de irrigação, temperatura e umidade, de
forma isolada como complementação de um sistema em forma modular. A
programação de sistemas de acordo com a fisiologia vegetal é algo que não existe
em patentes, e representa a parte inovadora do processo. Uma análise
aprofundada seria necessária para esmiuçar as diversas funcionalidades dos
controladores comerciais, e assim poderia se optar por um registro da programação
do sistema.
As patentes de equipamentos que realizam funções semelhantes foram
analisadas buscando-se vislumbrar quais “soluções” estão disponíveis aos
agricultores, e quais as “características desejáveis” nos produtos que foram
exploradas pelas empresas desenvolvedoras. Percebe-se com esse enfoque, que
a “funcionalidade e simplicidade de operação” está presente em praticamente todos
os registros, o que corresponde a uma importante característica que o produto deve
possuir. Os produtos e soluções foram analisados, com o intuito de observar os
pontos fortes e fracos, que podem ser aproveitados para a realização do projeto
atual, mesmo que não é de interesse dos autores a solicitação de patente da
tecnologia, e sim o objetivo é que ela se dissemine livremente aos agricultores
interessados.
3.2 Projeto informacional
A fase de projeto informacional consistiu inicialmente na atualização do
escopo do projeto, portanto, definiu-se que o foco do mesmo consistiria no
“desenvolvimento de um produto mecatrônico, composto de software, hardware e
sistema de sensoriamento, capaz de efetuar supervisão e controle de umidade do
solo e do ar, temperatura e luminosidade em um cultivo protegido, levando em
conta as necessidades ambientais ótimas de cada cultura em cada fase de seu
desenvolvimento vegetativo e reprodutivo”.
O sistema de “atuação ambiental” como: ventiladores, nebulizadores,
bombas e motores não fez parte do desenvolvimento do projeto, pois atualmente
são oferecidas diversas soluções no mercado que são perfeitamente compatíveis
63
com o sistema projetado. Estes atuadores serão analisados através de pesquisa,
onde serão coletados dados de diversos sistemas de uso comum no meio rural,
como forma complementar ao produto em desenvolvimento, sendo que este tem a
capacidade de integrar-se com qualquer mecanismo de atuação. Assim, o produto
final deste projeto possui saídas universais de aplicação, podendo ajustar-se com
a realidade do agricultor no que concerne aos equipamentos já disponíveis na
propriedade.
3.2.1 Fatores de influência no projeto do produto
Para o presente projeto de produto, levou-se em consideração as principais
necessidades levantadas junto aos produtores que fazem uso de sistema protegido
na agricultura, bem como a experiência do próprio autor do trabalho em cultivo de
hortaliças e assistência técnica aos produtores rurais. Foi realizado um trabalho de
pesquisa em metodologia citada por Rozenfeld et al. (2015), para definição dos
principais agentes envolvidos, organizados em clientes internos, intermediários e
externos.
Para melhor identificação dos clientes envolvidos no processo foi feita uma
análise do ciclo de vida do produto, com base na “espiral do desenvolvimento”, que
engloba todas as fases do produto desde o projeto inicial até o descarte do mesmo.
3.2.2 Definição dos Clientes
A definição dos clientes para o produto em desenvolvimento foi fundamental
para a organização do processo de desenvolvimento do projeto e seu êxito final.
Os clientes foram divididos em internos, quando responderem pela agregação de
valor ao produto em sua fase associada ao setor produtivo. Os clientes
intermediários foram aqueles relacionados à fase de comercialização e distribuição
do produto, e por fim os clientes externos foram os responsáveis pelo consumo ou
uso da tecnologia. A tabela 04 resume para o presente projeto a definição dos tipos
de clientes envolvidos no processo:
64
Tabela 04 - Principais agentes envolvidos no processo de
desenvolvimento do produto.
Clientes Internos Equipe de desenvolvimento, planejamento e marketing.
Empresas de montagem de sistemas eletrônicos.
Fornecedores de componentes Eletrônicos.
Equipe de manutenção e pós venda.
Clientes
Intermediários Empresas de pesquisa e Extensão Rural
Lojas Agropecuárias
Empresas de Montagem de Casas de vegetação
Distribuidores de produtos agrícolas
Clientes
Externos
Pequenos e médios agricultores, produtores de
hortaliças ou flores.
O sistema de controle ambiental possui uma flexibilidade muito grande de
aplicações, podendo se ajustar às características de produção e culturas
diversificadas. Pode-se também aplicar o sistema de controle ambiental em galpões
para produção animal, ou de culturas específicas como cogumelos, bastando
apenas ajustar os parâmetros ambientais desejados para cada situação.
Englobando esse novo público alvo, a quantidade de clientes externos seria
ampliada, os requisitos embora semelhantes poderiam sofrer algumas alterações,
e o processo ganharia uma complexidade maior, portanto foi mantido como foco os
requisitos do cliente final: médio e pequeno agricultor de hortaliças e flores.
3.2.3 Requisitos dos clientes e usuários
O produto desenvolvido foi direcionado a um público bastante diversificado,
com perfis marcadamente heterogêneos. Dentre os usuários do sistema, foi levado
em consideração desde o agricultor sem nenhum conhecimento em informática e
precariamente alfabetizado, até o mais atualizado em tecnologia, que possui
acesso diário à internet e possui intimidade com sistemas mais sofisticados.
65
Para detecção das necessidades dos clientes foi utilizado o método da
observação direta, e coleta de dados obtidos através de conversas e visitas de
campo, em propriedades rurais da região da grande Florianópolis, que possuem
alguma instalação voltada ao abrigo de plantas. Também foi levada em
consideração as necessidades dos desenvolvedores, como clientes internos, que
atuam na área de produção de hortaliças em sistema protegido na região citada.
Como finalidade principal e requisitos dos clientes, foi observado que
algumas características são fundamentais ao sistema como descritas na tabela 08:
Tabela 05 - Características que o produto deve ter segundo os clientes.
Requisitos dos clientes – Externos
O equipamento deve ser robusto;
O equipamento deve ser confiável, e não falhar.
O equipamento deve ser barato;
O equipamento deve ser fácil de operar;
O equipamento deve ser de manutenção simples, e possuir peças de reposição;
O equipamento deve ser de fácil instalação na estufa;
O equipamento deve ser resistente à chuva e sol;
O equipamento deve controlar bem a irrigação;
O equipamento deve controlar bem a umidade do ar;
O equipamento deve controlar bem a temperatura;
Requisitos dos clientes – Internos
O equipamento deve ser fácil de montar
O equipamento deve ser de fácil fabricação
O equipamento deve utilizar peças padronizadas e de baixo custo.
Requisitos dos clientes – Intermediários
O equipamento deve ser de baixo custo.
3.2.4 Requisitos do produto
No geral as necessidades dos clientes elencadas na tabela 06 são
representações dos desejos dos clientes, de caráter qualitativo, e não podem ser
mensuradas, para isso é necessário que sejam traduzidas para uma linguagem de
66
engenharia e que possam ser traduzidas numericamente. Para isso de acordo com
Rosenfeld et al. (2015), construímos o “diagrama de Mudge”. Esse método traduz
as necessidades dos clientes que são vagas, e na maioria das vezes abstratas em
números, e ainda indica a ordem de importância das características do produto, o
que é de grande valia para o direcionamento do projeto, no próximo passo que é a
criação da casa da qualidade ou matriz QFD.
Um dos grandes desafios da formulação de um produto ou sistema para
agricultura consiste em torna-lo acessível ao público heterogêneo que compõe o
meio rural, principalmente no que concerne à operacionalidade. Tem-se no cenário
rural desde agricultores capacitados com qualificação profissional e facilidade em
operar e absorver novas tecnologias, até produtores com baixo nível de
escolaridade e profunda dificuldade em relacionar-se com inovações tecnológicas
e meios informatizados.
Analisando corretamente as necessidades dos clientes foram definidos os
requisitos do produto. Seguindo Rozenfeld et al. (2015), os requisitos do produto
são ordenadamente convertidos em requisitos do projeto, (tabela 09) para facilitar
a organização de etapas no desenvolvimento da solução e para possibilitar que
cada requisito possibilite seja convertido posteriormente em um valor meta
quantitativo.
Tabela 06 - Requisitos do projeto segundo necessidades dos clientes
REQUISITOS / ORDEM DE IMPORTÂNCIA
Ordem Necessidades dos clientes
1 Resistência mecânica na construção
2 Taxa de falhas no Software
3 Custo do material
4 IHM Intuitiva
5 Taxa de falhas no Hardware
6 Custo de manutenção
7 Resistência à corrosão
8 Sistema de potência
9 Custo de operação
10 Custo de Produção
11 Preço de Venda
12 Interface Simples
67
3.2.5 Especificações meta do produto
Cada requisito de projeto que foi apresentado precisa ser valorado, portanto
procede-se com uma descrição detalhada da análise quantitativa e valores meta
para cada requisito. Com os valores meta em mãos, fica mais simples controlar o
processo de desenvolvimento e monitorar o andamento do trabalho. Alguns valores
escolhidos são arbitrados, e possivelmente em outras fases do processo podem
ser revistos e alterados se necessário.
O referencial que os dados fornecem, após a apresentação da casa da
qualidade, e do diagrama de Mudge nos permite proceder com posteriores
desdobramentos em subsistemas componentes e alcançar um nível de
detalhamento aprofundado do projeto, especificando valores meta para cada
requisito conforme o APÊNDICE I.
3.2.6 Projeto Conceitual
No projeto conceitual buscou-se identificar os problemas essenciais
relacionados ao modelo e a ideia-problema, a fim de evitar que uma solução
previamente encontrada, possa interferir no trabalho de desenvolvimento do
produto. É natural que ao possuir uma ideia de desenvolvimento, automaticamente
tenha-se também uma possível solução para o problema, porém é válido testar de
todas as formas e métodos o problema em questão. Uma boa análise da situação
pode evitar trabalhos futuros e tentativas frustradas na superação de desafios.
O projeto baseou-se em um controlador ambiental para estufas agrícolas,
com baixo custo e confiabilidade. Para início do desenvolvimento do projeto
conceitual, foi definido uma função global para o produto, que foi: o controle
ambiental do cultivo protegido. Além da função global foi necessário identificar as
entradas e saídas do sistema, que em nosso caso é representado pelos sensores,
transdutores, trocas de energia entre outros.
68
3.2.7 Estrutura funcional
O projeto de um controlador eletrônico para monitorar variáveis ambientais
de um cultivo protegido, possui diversas funcionalidades, dentre as quais
funcionalidades globais, e funcionalidades secundárias. É importante que se realize
um desmembramento detalhado de cada função, a fim de facilitar a identificação
de componentes físicos para atender as funcionalidades.
Figura 26 - Diagrama de funcionalidade principal do sistema:
Cada sistema apresentado pode ser gradativamente decomposto, o que se
torna necessário à medida que o processo vai tornando-se mais complexo.
O fluxo de energia do sistema foi tratado de forma geral pois o objetivo do
trabalho foi a funcionalidade do controlador e o fluxo energético do sistema como
de importância secundária. O propósito fundamental do produto é monitorar o
ambiente através de sensores, realizar a leitura dos sinais de valores de cada
grandeza encontrada, relacionados à temperatura, umidade do ar e do solo e
radiação. Caso algum parâmetro encontre-se fora do padrão ideal para a cultura,
que está programado na memória interna do programa, este aciona atuadores para
atenuação do desequilíbrio ambiental levando em consideração uma programação
específica de acordo com a fase de desenvolvimento de cada cultura.
O sistema global ainda pode ser dividido em sub-funções como descrito na
figura 27.
69
Figura 27 - Divisão da função global em sub-funções do sistema.
3.2.8 Descrição das funcionalidades de entrada e saída do sistema
Para as entradas e saídas do sistema temos uma série de componentes com
funcionalidades específicas. Para melhor identificação de cada componente e sua
função foi elaborada uma tabela contendo a descrição de cada processo, função e
equipamento necessário:
Tabela 07 - Funções de entradas e saídas e equipamentos utilizados.
Descrição das funções parciais e definição de entradas e saídas da estrutura
funcional.
Função Descrição Entradas Saídas
Controlar a
temperatura
Sistema de coleta de dados
em tensão para temperatura Termômetro
Chave para
acionamento de
ventilação e
Sistema fechamento
baixa temperatura;
Controlar a
umidade
Sistema de coleta de dados
em tensão para Umidade Higrômetro
Chave para
acionamento de
aspersores e
ventilação
Controlar a
Irrigação
Sistema de coleta de dados
no solo.
Higrômetro
de solo
Chave para o
acionamento de
sistema de irrigação.
Controlar a
radiação
Sistema de coleta de dados
de iluminação ambiente LDR.
Chave para abrir ou
fechar tela
70
O esboço do sistema final com suas funcionalidades de entrada e saída foi
descrito na figura 28, onde são mapeados os atributos do projeto em diagrama de
blocos com funções de aquisição de dados ambientais e sistema de acionamento
de atuadores.
Figura 28 - Diagrama de entradas e saídas do sistema.
3.2.9 Princípios de solução para o controle ambiental
Inicialmente para atender os requisitos de entradas e saídas bem como
função global do produto, foi realizado um sistema comparativo entre produtos
disponíveis no mercado e que podem atender as solicitações do sistema. A tabela
07, descreve alguns dos possíveis materiais que foram utilizados no projeto. A
escolha de cada equipamento ocorreu de acordo com as características do produto
e as necessidades do projeto.
71
Tabela 07 - Diagrama comparativo entre equipamentos disponíveis no
mercado e seleção de concepções para o projeto.
A figura 29 representa a concepção de sensores e controlador escolhida
para o projeto, levando em consideração as necessidades dos clientes e requisitos
do projeto. Dentro das opções disponíveis para controle do sistema, optou-se pela
plataforma Arduino MEGA, equipada com microcontrolador ATMEL 2560, devido
FUNÇÃO ALTERNATIVA 1 ALTERNATIVA 2 ALTERNATIVA 3 ALTERNATIVA 4
CONTROLAR O
AMBIENTE
CLP Microcontroladores Arduino Raspberry PI
Características Principais: Alto custo; Maior
confiabilidade e
funcionalidade;
Exige dispositivos
acessórios,
compatibilidade com
sensores.
Baixo custo; Exige
eletrônica acessória;
Baixo custo;
Eletronica acessória;
Disponibilidade grande
de sensores.
Médio custo;
Eletronica acessória;
Memória e alto
processamento
VERIFICAR UMIDADE
DO SOLO
EC-5 - Decagon 10-HS- Decagon FC-28 SMRT-Y
Características Principais:
Alto custo; Precisão
de 3 a 5%. Garantia
de 1 ano.
Alto custo; Precisão
de 3%. Garantia de 1
ano.
Baixo custo; Precisão
de 5 a 10 %. Garantia
de 0,25 ano.
Alto custo; Precisão
N.I. Garantia de 1
ano. Compatib. baixa
microcontroladors
VERIFICAR UMIDADE
DO ARDHT-11 DHT-22 PSICR.100 HIGROG.
Características Principais:Baixo custo. Baixa
precisão. Controle
de umidade e
temperatura.
Baixo custo. Média
precisão. Controle de
umidade e
temperatura.
Baixo custo. Alta
precisão. Controla
somente Umidade do
ar. Não comunica
microcontrolador
Alto custo. Alta
precisão. Controla
somente Umidade do
ar. Estação
Meteor.Analogico.
VERIFICAR
TEMPERATURADHT-11 DHT-22 LM-35 PT-100
Características Principais:
Baixo custo. Baixa
precisão. Controle
de umidade e
temperatura.
Baixo custo. Média
precisão. Controle de
umidade e
temperatura.
Baixo custo. Baixa
precisão.Exige circuito
isolado.
Médio custo. Alta
precisão e
resistência. Alto
Range. Ambiente
hostil.
VERIFICAR RADIAÇÃO LDR Lux-800 Pir.SPP
Características Principais:Baixo custo. Baixa
precisão. Exige
circuito divisor de
tensão.
Alto custo, controle
de luminosidade em
LUX.
Alto custo. Alta
precisão.
Compatibilidade com
controladores.
72
sua maior disponibilidade de portas para interligação de sensores e atuadores,
além de possibilitar a expansão futura do sistema. O baixo custo e confiabilidade
do controlador também influenciaram na decisão. Caso optássemos por CLP ou
Raspberry-Pi perderíamos no quesito “custo” e disponibilidade de portas
respectivamente.
Figura 29 - Concepção escolhida dentre os materiais da planilha comparativa.
Para o controle da umidade relativa do ar e temperatura, optou-se pelo
termohigrômetro modelo DHT 22, pela sua precisão na coleta de dados, baixo custo
73
e por possuir dimensões adequadas para instalação nas torres de sensores,
necessitando apenas de três vias de cabo para funcionamento. O sensor de
luminosidade escolhido foi o fotoresistor LDR, que além do baixo custo atende
perfeitamente as necessidades do projeto.
Segundo as necessidades dos clientes, levantadas na fase informacional,
uma das características mais importantes do sistema seria a fácil operação, para
isso foi projetada uma interface simples e direta, contendo a parametrização padrão
para as principais culturas vegetais cultivadas em ambiente protegido, sendo: 1 -
Folhosas (Alface, Rúcula, Chicória, Agrião, Almeirão), 2 - Tomate (Tomate salada,
Tomate cereja), 3 - Pimentão (Pimentas em geral), 4 – Pepino (cucurbitáceas em
geral).
Cada cultura possui um botão individual no controlador, esse botão direciona
a uma programação específica onde contém os dados ótimos de umidade,
temperatura e radiação, bem como o regime hídrico de irrigação de acordo com a
fenologia da cultura. A programação também foi diferenciada para o dia e noite,
possibilitando em culturas que entram em reprodução, a termoperiodicidade, ou
amplitude térmica necessária para a correta maturação dos frutos.
3.2.10 Geração de alternativas de concepções
Como concepção inicial do produto, foram elaboradas algumas
características que levam em consideração as necessidades dos clientes e os
valores meta obtidos na fase informacional do projeto. Características como
simplicidade de acesso, robustez e confiabilidade foram levadas em consideração
no desenho piloto do projeto.
Chegou-se à concepção da “versão 1.0” do sistema de controle eletrônico,
abrigado inicialmente em uma caixa de proteção, com 5 botões de acesso, sendo
apenas um botão liga e desliga e quatro botões para programação direta. Assim o
sistema teria poucos botões de acesso geral, o que tornaria bastante simplificada
a interface homem máquina (IHM), além de tornar mais fácil a compreensão por
parte de agricultores menos adaptados à tecnologias. O desenho inicial do sistema
nessa concepção está representado na figura 30.
74
Figura 30 - Concepção inicial (Versão 1.0 do sistema de controle).
A versão 1.0 do sistema de controle, com a limitação de botões visando
principalmente a facilidade de acesso e a IHM intuitiva, implicou em grandes
limitações de aplicabilidade do controlador, pois nesta concepção, embora de fácil
acessibilidade, não haviam botões para o agricultor/operador realizar a
programação manual se necessário fosse. Portanto com o modelo 1.0 foi possível
somente o funcionamento para as principais culturas, excluindo-se qualquer outra
aplicação.
Outra limitação do modelo inicial, foi a falta de LEDs indicativos de
funcionamento dos atuadores, o que prejudicou o monitoramento por parte dos
operadores do funcionamento do sistema. Portanto essa versão foi alterada pela
equipe de desenvolvimento para uma nova alternativa, contendo assim botões de
incremento, decremento e seleção para programação “manual”, mantendo-se os
botões das programações para culturas de acesso rápido, além de um botão on-off
para ligar e desligar o sistema.
75
A segunda versão do controlador, contendo os leds indicativos de
funcionamento dos atuadores e a possibilidade de programação manual, tornou-o
mais versátil, não o limitando somente às culturas recorrentes no cultivo protegido,
como para qualquer aplicação, desde que os parâmetros ambientais sejam
conhecidos e programados no sistema. Assim o controlador pode ser utilizado em
casas de vegetação ou até mesmo abrigos de produção animal, bastando apenas
a programação dos valores ambientais ótimos para cada situação.
3.2.11 Disposição e posicionamento dos transdutores no cultivo protegido.
Além do layout do controlador, suas funcionalidades e IHM, uma
problemática importante a ser desenvolvida foi relacionada à disposição dos
dispositivos sensores na área interna do cultivo protegido. Os transdutores de
umidade do ar e do solo, temperatura, umidade e radiação são dispositivos
eletrônicos sensíveis e podem ter seu funcionamento comprometido pelo mau uso
ou por adversidades do ambiente.
Alguns projetos de sistemas de controle ambiental em cultivos protegidos
instalam os sensores em locais distantes da cultura vegetal, o que pode
comprometer a confiabilidade das leituras. A premissa do projeto foi de instalar os
equipamentos o mais próximo possível da cultura vegetal, de preferência no mesmo
Figura 31 - Concepção do controlador contendo botões de incremento e decremento e programação manual.
76
extrato ambiental, com o objetivo de retratar exatamente as características
ambientais no local de cultivo. Portanto estudou-se uma maneira de unir os
sensores e distribuí-los em pontos distantes do cultivo protegido, na altura das
culturas vegetais e com sistema de proteção mecânica, já que o ambiente interno
das estufas é um ambiente crítico no que concerne ao manejo dos vegetais e
preparação de solo para plantio. Pequenos sensores e fios espalhados no interior
das estufas são passíveis de danos e, portanto, o maior risco de danos ao sistema
se dá nesta fase da produção.
Diversas possibilidades de disposição de sensores foram estudadas, bem
como de materiais de fixação dos mesmos. A concepção mais aceita devido à
praticidade de instalação e desinstalação após cada cultivo foi a de “torres de
sensores” (Figura 32). As torres representam um suporte único para todos os
sensores, que possibilitam a fácil instalação e remoção após cada cultivo ou
necessidade de manejo interno ao cultivo protegido. Portanto uma torre seria
composta por um mastro com um sensor de temperatura e umidade do ar DHT 22,
um sensor de umidade do solo FC – 28 e um sensor de radiação LDR.
Figura 32 - Concepção inicial de suporte para sensores, modelo “Torre”.
77
O sistema de suporte elaborado para a primeira versão do protótipo de “torre
de sensores”, contou com tubulação de PVC de esgoto predial de 40mm de seção
e 80 cm de comprimento, com tampa no topo e corte em 90° na base com haste de
fixação em alumínio. O sensor LDR, foi acoplado à tampa da torre, em perfuração
específica. O sensor DHT 22, acoplado ao corpo de PVC à 60cm da base e o sensor
de umidade de solo ficaria fixado à base do suporte em contato direto com o solo.
Um sistema simplificado de controle poderia apenas ter um kit de sensores
de umidade, temperatura, radiação e umidade do solo. Porém os dados retratariam
apenas a situação ambiental do microclima local de instalação dos sensores, não
condizendo com a realidade total do cultivo protegido. Quanto mais “torres de
sensores” forem instaladas em um cultivo protegido, maior seria a confiabilidade da
aquisição de dados do sistema. Trabalhamos com a possibilidade de instalação de
três “torres” no interior do ambiente e solicitamos, na programação, que o
controlador faça a aquisição dos dados e calcule uma média dos valores obtidos
para a tomada de decisão no acionamento dos atuadores (Figura 33).
Figura 33 - Esquemático de torres e controlador instalados no cultivo protegido.
3.2.12 Seleção das concepções do produto
Para atender às características do produto, de acordo com a pesquisa de
mercado e necessidades dos clientes, foram selecionadas concepções de
78
sensores de umidade do solo, umidade do ar e temperatura. Outras concepções a
partir do quadro de comparação de equipamentos (figura 29), poderiam ser
elaboradas de acordo com as necessidades de cada projeto de controle ambiental.
Optou-se pela concepção inicial com equipamentos de baixo custo com o intuito de
atender os objetivos do projeto. Nada impede que em concepções específicas
possam ser utilizados equipamentos diferenciados em soluções personalizadas de
automação.
O transdutor de umidade do solo é um componente fundamental no sistema,
pois indica o momento correto de acionamento da irrigação. Para essa tarefa,
devido ao seu baixo custo o projeto conta com o “soil moisture meter” FC-28 que é
um sensor próprio para sistema Arduíno, sendo amplamente utilizado em trabalhos
de pesquisa relacionados à automação em cultivo protegido.
O funcionamento do sensor valia-se de dois eletrodos permitindo a passagem
de uma pequena corrente elétrica pelo solo, comparando a resistência encontrada
com a resistência do solo seco, assim sua interface eletrônica realiza uma leitura
de acordo com a umidade presente nos eletrodos. Quando o solo está úmido a
resistividade é menor e quando seco a resistividade maior, assim de acordo com o
parâmetro da cultura pode-se programar limites de umidade para acionamento dos
atuadores.
A luminosidade foi controlada através de transdutores tipo LDR – Light
Dependent Resistor, que variam sua resistência conforme é alterada a intensidade
luminosa do ambiente. Quando a intensidade luminosa no interior da estufa atingiu
níveis superiores ou inferiores à faixa ideal de cultivo, o sistema recebeu comando
das fotoresistências e acionou motores para fechamento da cobertura,
possibilitando sombreamentos em percentuais distintos ou mesmo lâmpadas
estimulantes de fotossíntese para iluminar o ambiente.
Os Resistores variáveis LDR, foram calibrados e seu valor ajustado em
percentual no controlador. Foi utilizado um resistor de 10KOhm, em série com o
sensor e verificada a tensão do divisor com sol pleno e com período noturno,
portanto ajustou-se em períodos de alta radiação como sendo o limite máximo
(acima de 90%) e noturno como limite mínimo (abaixo de 20%). A figura 34, mostra
o LDR fixado à tampa de PVC de 40mm que serve de tampa para a torre de
sensores.
79
Figura 34 - Sensor de radiação global LDR fixado na tampa da Torre PVC40mm.
O sensor DHT 22 foi escolhido para concepção do projeto final devido sua
precisão e funcionalidade. Trata-se de um sensor que atende perfeitamente as
condições necessárias de aquisição de temperatura e umidade ambiente,
embutidos em um pequeno encapsulamento, o que facilita a instalação do mesmo
à campo com necessidade de apenas três vias de cabo.
Para montagem dos sensores foram realizados testes de laboratório em
sistemas de conexão e cabeamento. Optou-se por utilizar um cabo manga com
blindagem externa 22 AWG, foi aplicado uma frequência de 10 MHZ no cabo com
50 metros de comprimento (Figura 35), e instalado o mesmo em forma de antena
nas ponteiras de um osciloscópio para análise do formato de onda e interferência
externa ao meio de condução. Não foi observada oscilação significativa na forma
de onda com a aplicação da alta frequência, o que indica que o cabo foi adequado
para o uso em maiores distâncias na instalação dos sensores sem afetar
significativamente a leitura dos mesmos.
Litjens (2009), apresentou um trabalho de automação para cultivo protegido
utilizando sensoriamento remoto e protocolo ZigBee de comunicação sem fio para
sensores e controlador, indicou ainda que os mesmos podem operar por longo
tempo sem a troca de baterias ou intervenção humana.
No presente trabalho, visando a maior confiabilidade na aquisição de dados
e simplicidade de montagem e programação do sistema, optou-se pela
80
comunicação via cabo, embora como possibilidade de incremento futuro ao
sistema, podem ser realizados estudos com torres de sensores totalmente wireless.
Como concepção final das torres de sensores chegou-se a um modelo
conforme figura 36, onde estão fixados os sensores de umidade de solo, radiação,
umidade e temperatura do ar. O modelo inicial presente na figura anterior foi
alterado nas suas características construtivas, onde as principais alterações foram
no modo de fixação, deixou de ser por haste metálica e passou a ser por sistema
chanfrado no próprio pvc, e o sensor de umidade de solo que anteriormente previa-
se fixado na torre, apresenta-se agora com um laço de cabo manga 22 AWG,
permitindo maior liberdade na fixação no solo, sem influência do material da torre,
que na concepção inicial poderia alterar a leitura de umidade do solo.
Figura 35 - Testes de bancada dos cabos blindados para sensores.
81
Figura 36 - Croqui torre de sensores, concepção final.
Como concepção final do sistema, o diagrama da figura 37, apresenta as
funcionalidades e equipamentos selecionados para a construção do projeto
preliminar. O diagrama descreve a composição completa do sistema de controle
ambiental, contendo a programação específica do microcontrolador ATMEL 2560,
bem como as conexões de sensores e atuadores. O acionamento das saídas foi
realizado através de placa de relés e pode ser facilmente interconectado a algum
dispositivo de potência, como contactoras, por exemplo, no caso de algum atuador
necessitar de altas correntes para funcionamento. Os relés da placa possuem
corrente limite de 10 A para conexões em rede 220VAC, e operam para
acionamento com 5VDC.
82
Figura 37 - Concepção do produto – Projeto preliminar.
4. PROJETO PRELIMINAR DO SISTEMA
Como projeto preliminar do sistema, foi desenvolvido protótipo composto
por: Gabinete metálico com tampa, contendo em seu interior: 01 controlador
atmega 2560 (Arduíno); 01 placa RTC (Real Time Clock) com módulo I2C; 09
botões na IHM (01 ON/OFF; 01 Prog.Manual; 01 Folhosas; 01 Tomate; 01 Pepino;
01 Pimentão; 01 Incremento; 01 Decremento; 01 Seleção); 01 display de cristal
líquido 4 linhas 20 caracteres; 03 conectores tipo MIKE macho para conexão das
torres de sensores. O conjunto de controle conta ainda com: 03 torres de sensores
com cabo para conexão ao controlador eletrônico. Cada torre comporta 03
sensores, sendo 01 sensor DHT22 para aferição de umidade relativa e temperatura
do ar, 01 sensor LDR para aferição da radiação e 01 sensor de umidade de solo
FC28.
83
4.1 Controlador Eletrônico para cultivo Protegido E-Agro
A figura 38 apresenta as características principais do controlador eletrônico
para cultivo protegido. Percebe-se na IHM a principal característica e diferencial
inovativo deste equipamento, em relação a outros existentes no mercado: Botões
que com um simples toque levam à programação completa para as principais
culturas cultivadas em ambiente protegido. Além dos botões principais de
programação direta, o controlador possui um botão de programação manual que
permite ao operador selecionar as características desejadas para qualquer cultivo.
Ou seja, caso deseje por exemplo o cultivo de flores ou outras culturas que não
estão na tela principal, com um botão de acesso específico, o operador pode indicar
manualmente esses parâmetros de set point, e o controlador passa a operar de
acordo com os dados fornecidos manualmente.
Os conectores do tipo MIKE fixados na base do gabinete, além de
representarem um modo robusto de conexão à prova de poeira e respingos de
água, permitem a fácil conexão e desconexão das torres de sensores, o que facilita
a mobilidade do sistema em caso de manejo no cultivo protegido ou mudança de
culturas.
O controlador foi batizado de “e-Agro”, em alusão às palavras Eletrônica, e
Agronomia, mesclando os substantivos em busca de um nome comercial, ou marca
que remeta os possíveis clientes sobre a funcionalidade do produto e os
conhecimentos que o englobam. O produto “controlador eletrônico”, suas “torres de
sensores” e seu “nome fantasia” carecem de aprimoramentos nos campos do
design e marketing, o que certamente será tarefa futura da equipe de
desenvolvimento.
84
Figura 38 - Gabinete Interface do controlador eletrônico.
O sistema de controle no interior do gabinete foi fixado sobre uma placa de
prototipagem para conexões eletroeletrônicas e as ligações dos transdutores,
atuadores, botões e display estão descritos na figura 39.
Figura 39 - Conexões de entradas e saídas na placa Arduíno MEGA 2560.
85
4.2 Torres de aferição ambiental
A utilização de torres de transdutores permitiu que a coleta de dados fosse
realizada no mesmo extrato ambiental que a cultura, aumentando a confiabilidade
na coleta de dados dos parâmetros ambientais. A correta aquisição dos dados, e
os dispositivos instalados próximos às plantas conferem maior precisão sobre o
estado do meio em que as plantas se encontram.
A montagem da torre de transdutores foi realizada em sua fase de protótipo
com o auxílio de tubulação de esgoto PVC 40mm (Figura 40). Cada tubo foi cortado
na dimensão de 80cm em um corte de ângulo reto na parte superior e outro corte
em bisel 45° na parte inferior para facilitar a fixação da torre ao solo. Foram
realizadas furações na tubulação com diâmetro de 5mm, para passagem dos cabos
de conexão do controlador e sensores. Dois furos de 5mm opostos feitos à 30cm
da base para entrada do cabo manga 22AWG, e para saída do cabo do sensor de
umidade de solo. Um furo de 5mm feito a 60cm da base, para fixação do transdutor
DHT22 e um furo de 5mm no centro da tampa de PVC, para abrigar o LDR.
Todas as conexões de cabos foram soldadas e isoladas na parte interna da
tubulação de 40mm, o que confere às interconexões abrigo a água e outros fatores,
além de permitir acesso rápido, para testes diretos e medições com a retirada da
tampa da torre, facilitando a manutenção.
Figura 40 - Torres de PVC, suporte para sensores instaladas em cultivo protegido.
86
4.3 Programação e funcionamento do sistema
O funcionamento do sistema pode ser descrito em uma série de passos que
o controlador seguiu para executar determinadas tarefas. A linguagem de
programação utilizada foi linguagem C++ voltada para plataforma Arduíno. A IDE,
ou interface de desenvolvimento do programa para o controlador, possui recursos
e bibliotecas compatíveis com os sensores utilizados e a versão utilizada para o
presente projeto foi a de número 1.6.7.
Para cada cultura vegetal existem parâmetros ótimos de desenvolvimento
em cada fase de vida, e na programação do sistema foram relacionados estes
valores chave de atuação chamados Set-points.
Ao ser ligado o controlador realizou uma série de atividades pré-
programadas em sua memória interna, realizando leituras de sensores e atuadores
que independem de instruções do operador. Essa programação é conhecida como
programação inicial ou programação de SETUP, que representa no controlador
desenvolvido a inicialização do mesmo, verificação interna do sistema, até entrar
em modo Loop de operação e exibir na tela a seguinte mensagem: “SELECIONE
A CULTURA DESEJADA OU PROG. MANUAL”. A partir dessa mensagem o
controlador fica aguardando do operador-agricultor uma orientação a partir dos
botões de acesso. Caso o operador pressione o botão PROG. MANUAL, o
controlador apresenta uma série de telas para seleção dos set-points e após esta
série de telas inicia a operação.
87
Figura 41 - Programação base de processos iniciais do controlador.
Após o operador decidir sobre a programação desejada, o controlador
encarregou-se até o final do ciclo da cultura, de oferecer as condições pré-
programadas para o sistema, dentro das necessidades ótimas de ambiente para
cada cultura vegetal, em cada fase de seu desenvolvimento. No APÊNDICE IV, é
possível verificar a programação completa para a cultura de folhosas.
88
4.4 Desenvolvimento de Datalogger para coleta de dados do sistema;
Para compor o Datalogger (Figura 42) foi necessário a aquisição de uma
placa de shield específica para esta finalidade e compatível com Arduíno. A placa
Datalogger shield possui em seu interior um sistema de RTC (Real Time Clock) e
um soquete com interligações para uso de cartão SD. O sistema foi montado em
um Arduíno UNO separado do controlador, para que a coleta de dados não influísse
no funcionamento do sistema de controle e simplificasse o processo de aquisição
de informações.
Figura 42 – Datalogger para coleta de dados experimentais.
Foram acrescentadas no Datalogger, duas torres de PVC com sensores
idênticos aos do controlador eletrônico, com a finalidade de realizar a aquisição dos
dados ambientais do cultivo protegido. As torres do Datalogger possuem a mesma
dimensão das torres do controlador e foram fixadas no interior do cultivo protegido
junto às culturas.
Para o Datalogger foi desenvolvida uma programação específica de coleta
de dados composta por: dois sensores modelo DHT22 para coleta de umidade
relativa e temperatura, dois sensores LDR para radiação global, dois sensores FC-
28 para aferição de umidade do solo.
A programação do sistema foi simplificada, e a instrução básica consistiu em
inicializar as entradas e saídas do controlador, bem como inicializar o cartão SD e
armazenar em cada intervalo de tempo as informações dos ambientes de cultivo
89
que estarão chegando através das entradas analógicas do Arduíno UNO. Na
programação básica, as gravações de informações das torres foram ajustadas, em
programação, para ocorrerem a cada intervalo de três minutos, completando 20
coletas por hora de funcionamento.
Além das entradas de dados dos sensores, o Datalogger armazenou na
memória o estado das saídas para os atuadores. Indicando o estado de cada relé
de saída, se ligado ou desligado em cada momento de aquisição de dados.
Toda informação adquirida pelo Datalogger foi direcionada a um arquivo tipo
.LOG (Figura 43) em formato de texto e posteriormente tratadas via software excel.
Figura 43- Arquivo .LOG criado pelo Datalogger para armazenamento dos dados.
Esta placa não faz parte do sistema de controle ambiental desenvolvido no
presente projeto, servindo apenas para realizar ensaios com o produto
desenvolvido.
4.5 Avaliação preliminar e econômica da concepção do produto
O objetivo a ser alcançado com o projeto em termos de custo de produção,
levando-se em conta os valores meta presentes no APÊNDICE I, de no máximo:
um mil e quinhentos reais (R$1500,00) em materiais e montagem foi atingida na
construção do protótipo. Os valores dos equipamentos estão descritos na tabela
08, e correspondem ao valor de aquisição dos equipamentos no primeiro semestre
de 2017. Todos os equipamentos foram adquiridos de lojas especializadas, com
90
nota fiscal e sede no Brasil. Alguns equipamentos listados, estão disponíveis para
venda em sites da internet, em lojas não oficiais, apresentando valores até 90%
menores que os apresentados na tabela, porém oriundos de comerciantes que não
oferecem garantia nos materiais e não cumprem a obrigação fiscal.
Tabela 08 - Custos de materiais e componentes eletrônicos do projeto.
Material Quantidade unidade Valor Total
Gabinete metalico, 30x30cm 1 pç R$ 34,90 R$ 34,90
Placa Ard.MEGA2560 R3 1 pç R$ 74,90 R$ 74,90
Display LCD 20x4 I2C 1 pç R$ 54,90 R$ 54,90
Botão Push-down VD.VM 8 pç R$ 6,50 R$ 52,00
Cabo Manga 22AWG Bco 80 m R$ 3,90 R$ 312,00
Conector MIKE 5P M+F 3 pç R$ 12,90 R$ 38,70
RTC tiny I2C c/ bateria 1 pç R$ 19,90 R$ 19,90
LED RGB 6V 4 pç R$ 1,50 R$ 6,00
Resistor 10K 18 pç R$ 1,00 R$ 18,00
Placa de Relé 8S Arduino 1 pç R$ 54,90 R$ 54,90
SENSOR Umidade e TEMP DHT22 3 pç R$ 34,90 R$ 104,70
Sensor Umidade de solo 3 pç R$ 12,90 R$ 38,70
Resistor LDR 3 pç R$ 1,80 R$ 5,40
PVC 40mm 3 m R$ 4,50 R$ 13,50
Tampa PVC 40mm 3 pç R$ 1,45 R$ 4,35
Fonte 9V (DC) .1ª 1 pç R$ 19,50 R$ 19,50
Conexões e Montagem 1 vb R$ 500,00 R$ 500,00
Total R$1.452,35 Fonte: Autor
O custo dos equipamentos nesta primeira concepção, levou em
consideração todos os dispositivos que compõem o controlador eletrônico, bem
como as torres de sensores. Constatou-se que 21,48% do custo do equipamento é
direcionado a aquisição de cabo manga para conexão das torres. Em pequenas
estufas, onde a distância entre controlador e sensores são inferiores a 30 metros,
pode-se pensar em alternativas menos onerosas em se tratando de cabos, e pode-
se lançar mão do uso de cabos de rede simples UTP cat5e, com 4 pares trançados.
Caso optássemos pelo uso do cabo UTP para conexão das torres, o valor com
cabeamento cairia de R$312,00 para R$75,00, uma redução de 416%.
91
O valor para montagem do sistema foi estipulado em R$500,00,
considerando-se a terceirização do serviço, com base nos valores da hora cobrada
por um técnico em eletrônica e informática (R$100,00), para serviços de
manutenção. Considerando-se 5 horas de serviço total para soldar, cortar, perfurar
e realizar a montagem final do sistema. Na tabela de custos do produto, o valor da
montagem foi o valor isolado mais significativo, correspondendo a 34,42% do custo
final. O investimento na produção em série, seguramente, reduziria o custo de
montagem do equipamento, com impacto significativo no valor final do produto.
Os equipamentos eletrônicos e materiais totais do sistema de controle,
considerando desde resistores, sensores e dispositivos, até a plataforma Arduino
MEGA custaram R$640,35, ou seja, 44,09% do custo total, o que leva a crer que
otimizando a produção e buscando novas alternativas de cabeamento ou
transmissão de dados, o produto pode ter um valor final abaixo de R$1000,00 (mil
reais), o que seria muito atrativo tanto para interessados na fabricação como na
venda e utilização do sistema de controle.
4.6 Viabilidade econômica do sistema de controle para produção de alface
Numa avaliação econômica simplista, não envolvendo fluxos de caixa para
a produção e comercialização. Considerando o cultivo de alface, em uma estufa
com 8x50m, temos a possibilidade de cultivar 3600 alfaces (9 unidades por m²) por
ciclo de produção, que dura em média 45 a 50 dias após o transplantio das mudas
ao local definitivo.
Considerando um custo de produção correspondente a 60% da renda bruta
de venda, e o valor unitário de venda de R$1,50 por unidade de alface, teríamos
um líquido de R$2.160,00 por ciclo de produção. Portanto conclui-se que com o
investimento de 30% do lucro líquido de um ciclo de alface, seria suficiente para
adquirir os materiais e componentes do sistema de controle para a estufa. Nas
análises de produtividade presentes no capítulo 5, relacionado aos experimentos
de campo e produtividade, pode-se ter uma melhor noção do incremento do
controlador no processo produtivo e sua viabilidade de implantação.
92
5.EXPERIMENTO DE CAMPO COM USO DO SISTEMA DE
CONTROLE AMBIENTAL.
Para que o funcionamento do sistema de controle ambiental seja
comprovadamente eficaz, foi implantado um experimento à campo para avaliar o
funcionamento e desempenho do sistema de controle, com intuito de validar o
funcionamento eletrônico do controlador e sensores, bem como sua influência na
redução dos valores de mão de obra e de produtividade das culturas.
A cultura de alface foi amplamente pesquisada e considerada uma cultura
“padrão” para análise de desempenho ambiental, pois manifesta em seu rápido
desenvolvimento vegetativo, características que lhe são passadas pelo ambiente,
como peso de massa verde, volume total da planta e conformação fenotípica geral.
5.1 Material e métodos
O experimento foi conduzido no no período de 01 a 25 de novembro de 2017,
no município de Biguaçu – SC, no sítio Três Riachos (27°46’42”S; 48°72’42”,
altitude: 2m). O clima local pode ser classificado como Cfa, segundo Köeppen, ou
seja, clima subtropical constantemente úmido, sem estação seca, com verão
quente e temperatura média do mês mais quente maior do que 22,0°C. O solo é
classificado como ARGISSOLO VERMELHO AMARELO de textura franco argilosa
(SANTOS et al., 2013).
Para a realização do experimento, foram construídos dois ambientes protegidos
A1 e A2, modelo túnel alto, tipo arco, com pé direito de 2,75m, possuindo área total
de 50m² cada um (5m largura x 10m de comprimento). No abrigo A1 (Automatizado)
foram instaladas três torres de sensores (T1;T2;T3) para aquisição de dados
climáticos internos, bem como atuadores de ventilação (VT), irrigação (RI) e
nebulização(NB). No ambiente A2, não foram instalados equipamentos de atuação
ambiental, somente sistema de irrigação com operação manual através de registro
de gaveta manual (RM), com duas operações diárias, sendo uma no início da
manhã e outra no final da tarde, e quando o agricultor julgava necessária ao longo
do dia. O sistema de controle manual em A2 seguiu um protocolo real de cultivo
levando em conta a observação do agricultor e acionamento da água. (Figura 44).
93
Figura 44 – Croqui Casas de vegetação A1 e A2 – com e sem automação. Biguaçú-SC.
Para realizar a ventilação ambiente foi utilizado um ventilador modelo
TurboVent.60R Ventisol, com 60W de potência e 60 centímetros de diâmetro de
hélice. Para o acionamento dos sistemas de irrigação e nebulização foram
utilizadas eletroválvulas de ¼”, com vazão máxima de 20l/min e 5w de potência
cada uma.
O modo de irrigação utilizado nas duas casas de vegetação foi o de aspersão
direta, composta por dois ramais em mangueira perfurada tipo SANTENO II, com
10 metros de comprimento cada um, disposto entre os canteiros de cultivo
igualmente nas casas de vegetação A1 e A2. O controle de plantas daninhas foi
realizado empregando-se métodos manuais de controle, capina e retirada manual
aos 10, 15 e 20 dias após o plantio.
Na parte externa frontal aos ambientes protegidos, foi instalado um abrigo
meteorológico (AM), visando abrigar o sistema de controle e aquisição de dados,
bem como as conexões elétricas do sistema automatizado. O abrigo meteorológico
foi construído com madeira de pinus sp., e posteriormente pintado com tinta acrílica
branca, nas dimensões de 1,10m de largura frontal, 0,80m de altura e 0,30m de
profundidade, e coberto com telha de fibrocimento 4mm com inclinação de 50%
(figura 45).
94
Figura 45- Casas de vegetação A1 e A2, condição inicial de montagem do experimento.
O abrigo meteorológico contém em seu interior 01 controlador eletrônico que
recebe as informações das 3 torres de aquisição de dados climáticos internos da
casa de vegetação A1 e realiza o acionamento dos atuadores ambientais através
de 01 placa de relés externa ao gabinete principal. Também abriga 01 gabinete com
sistema Datalogger, que recebe os dados climáticos das casas de vegetação A1 e
A2 e armazena as informações em cartão SD com 16GB de memória.
Todas as conexões elétricas e de alimentação dos sensores e atuadores
foram inseridas no abrigo meteorológico, e interligadas através de conectores do
tipo SINDAL 5mm. A alimentação elétrica do controlador eletrônico e do Datalogger
foi disponibilizada por No-Break 600VA, que fornece 220V em régua de tomadas
para as fontes específicas de cada aparelho, sendo duas fontes do tipo 220 VAC –
9 VDC (Figura 46).
95
Figura 46 - Abrigo Meteorológico para equipamentos e conexões elétricas.
O experimento avaliou características biométricas de duas variedades de
alface, uma do tipo Crespa (Cultivar Vanda) e outra do tipo Americana (Cultivar
Lucy Brow), em dois ambientes distintos, com e sem automação. Para a avaliação
da produtividade da cultura da alface, bem como o desenvolvimento em cada
ambiente foram aferidos dados de: diâmetro da planta (DP), altura da planta (AP),
diâmetro do colmo (DC) e massa fresca total (MFT).
As mudas foram adquiridas de viveirista credenciado e produzidas sob
encomenda em bandejas de polietileno expandido com 128 células, utilizando-se
substrato comercial e apresentando apenas uma plântula por célula. As mudas
foram mantidas em cultivo protegido (Viveiro de mudas) por 19 dias. O transplantio
para os canteiros definitivos, no espaçamento de 0,3m x 0,3m foi realizado, quando
as plântulas apresentavam 20 dias desde a semeadura e apresentavam de quatro
a cinco folhas definitivas.
O monitoramento da temperatura, umidade relativa, radiação e umidade do
solo, bem como o estado de funcionamento da ventilação, irrigação e nebulização
em cada ambiente protegido, foi realizado por meio de um Datalogger digital,
96
desenvolvido em sistema Arduíno e shield datalogger especialmente para esta
finalidade. O datalogger conta com duas torres de sensores TD1 e TD2 para
aquisição dos dados climáticos internos em cada cultivo protegido. Cada torre do
datalogger é composta por: 01 termo higrômetro modelo DHT22, 01 sensor LDR e
01 sensor de umidade de solo FC28. Foi instalada uma torre de sensores em cada
ambiente A1 e A2. O datalogger foi programado para realizar a aquisição de dados
a cada 3 minutos ao longo de 25 dias após o transplantio (DAT). Os dados
adquiridos pelo datalogger foram dispostos em arquivo de extensão .LOG na
seguinte ordem: Data; Hora; Temperatura ambiente A1; Umidade do ar ambiente
A1; Umidade do solo ambiente A1; Radiação ambiente A1; Temperatura ambiente
A2; Umidade do ar ambiente A2, Umidade do solo ambiente A2; Radiação ambiente
A2. Posteriormente foram tabulados em programa excel e submetidos à análise
qualitativa de comportamento ambiental.
No interior de cada casa de vegetação foram construídos 03 canteiros com
1 x 10m de comprimento, e 0,2m de altura. As mudas de alface foram
transplantadas no espaçamento de 0,3 x 0,3m e em cada canteiro foram dispostas
aleatoriamente as parcelas de cada cultivar. Foram instaladas 03 parcelas de cada
variedade de alface (V1 e V2), cada parcela composta por 54 plantas, com área
total de 5m² (1x5m), totalizando 162 plantas.
Em cada coleta de plantas foram retiradas quatro plantas da faixa central
dos canteiros, por parcela experimental, em cada avaliação, desprezando-se as
plantas das extremidades devido efeitos de bordadura.
As variáveis biométricas diâmetro da planta (DP) e altura da planta (AP)
foram mensuradas ainda em campo, com auxílio de uma régua metálica graduada.
Posteriormente, as plantas foram colhidas rentes ao solo com o auxílio de uma faca.
O diâmetro do colmo (DC) foi mensurado com auxílio de um paquímetro inox extra
da marca Somet. A massa fresca total (MFT) foi mensurada com auxílio de balança
digital, com precisão de 0,05 g. Com base nas informações coletadas avaliou-se
também a produtividade total em Kg/ha em cada tratamento.
As culturas foram dispostas nos canteiros de modo aleatório, em sorteio
realizado para cada parcela experimental. A disposição final das variedades em
cada casa de vegetação está descrita na figura 47.
97
Figura 47 – Distribuição dos tratamentos experimentais em cada casa de vegetação.
O delineamento experimental utilizado foi inteiramente casualizado (DIC),
em esquema fatorial de 2 x 2, com 4 tratamentos e três repetições. O primeiro fator
foi constituído de dois ambientes de cultivo (com e sem sistema de controle
ambiental) e o segundo fator por duas cultivares de alface, uma do tipo Crespa
(Variedade - Vanda) e outra do tipo Americana (Variedade - Lucy Brow). As
variáveis resposta foram o diâmetro da planta (DP), altura da planta (AP), diâmetro
do colmo (DC) e massa fresca total (MFT). Os dados foram submetidos ao teste de
normalidade, análise de variância e teste de Tukey à 5% de significância.
5.2 Resultados e discussão
A análise experimental foi dividida em dois tópicos distintos, sendo o primeiro
voltado para o estudo do comportamento ambiental do cultivo protegido, frente aos
fatores climáticos ao longo dos testes de campo do sistema, relacionando as
variáveis climáticas e o funcionamento de sensores e atuadores.
A segunda análise é direcionada para o comportamento das variáveis
biométricas da cultura de alface em cada ambiente, bem como as potencialidades
98
de aplicação do controlador para o incremento de produtividade e redução nos
custos de mão de obra.
5.2.1 Análise ambiental e de funcionamento do sistema de controle
As temperaturas mínimas e máximas registradas pela estação experimental
local, durante o experimento, apresentou diferenças marcantes ao longo dos 25
dias, registrando temperaturas na faixa de 13,9°C até 31,8°C, o que indica uma
amplitude representativa para o desenvolvimento da cultura da alface.
A temperatura mínima da série de dados foi registrada no segundo dia após
o transplantio (DAT) das mudas de alface, representando 13,9°C às nove horas da
manhã. A temperatura máxima foi registrada no 16 DAT, alcançando 31,8°C, às
16:00hs.
A faixa de tolerância para a cultura da alface no que concerne à temperatura,
fica em torno de 20,7°C a 25,3°C durante o dia e de 13,5 a 16,5°C no período
noturno, para culturas com até 20 DAT. Na fase seguinte, entre 20 a 25 DAT as
necessidades climáticas da cultura apresentam maior elasticidade, ficando entre
20°C a 28°C. O mesmo ocorre com a umidade relativa, que na fase inicial deve
encontrar-se entre 65 e 88%, e na fase final, acima de 20 DAT, pode assumir
valores 60 a 80%. Essa diferença entre necessidades ambientais ocorre devido à
fase de formação acelerada de tecidos como folhas e gemas foliares estar
praticamente finalizada, e o processo de translocação de nutrientes da planta não
mais se dá preferencialmente para a formação de novos tecidos vegetais, mas sim
com a finalidade de desenvolver tecidos já formados.
99
Figura 48- Gráfico de Temperaturas máximas e mínimas registradas na região, durante o experimento à campo e Zona de conforto térmico da cultura
A figura 48, descreve o comportamento das temperaturas máxima e mínimas
diárias apresentadas no período do experimento, e também demonstra as faixas
térmicas ideais para a cultura em comparação com a situação real do ambiente.
Pode-se verificar que na maioria dos dias as temperaturas permaneceram dentro
da zona de conforto térmico (ZCC) necessário ao bom desenvolvimento da alface,
o que favorece o crescimento da mesma. Outra observação importante a ser feita
é referente ao pico de temperaturas que ocorreu entre os dias 10 DAT e 18 DAT.
O período foi marcado pela entrada de uma massa de ar úmido, que trouxe
temperaturas elevadas e precipitações de até 39mm em 24 horas (ANEXO IV). A
predominância de ar seco após essa massa de origem equatorial, verifica-se na
análise da umidade relativa, que apresenta seu menor valor (21%) no 11° DAT,
após a troca de massas de interferência atmosférica.
100
Figura 49- Temperaturas registradas no interior do cultivo protegido área experimental A1, com automação.
O gráfico da figura 49, apresenta as temperaturas máxima e mínimas
aferidas no interior do cultivo protegido A1. Verifica-se no ambiente A1 uma
elevação de temperatura em relação ao ambiente externo, o que é esperado devido
ao efeito térmico de retenção de calor proporcionado pela cobertura de Polietileno
de baixa densidade (PEBD).
Em comparação com a ZCC, as temperaturas internas registradas ficaram
na maior parte do período superiores às ideais para a cultura vegetal, o que afeta
negativamente o desenvolvimento da cultura, e indica que o sistema de atuação
ambiental não foi eficiente para atenuação da temperatura em níveis máximos
desejáveis. De fato, o ventilador instalado na casa de vegetação com apenas 60cm
de diâmetro e baixa potência, associado a somente um bico nebulizador, não teria
condições de atenuar um pico de temperatura como o apresentado durante o
período estudado, porém seu funcionamento correto durante a ocorrência de altas
temperaturas demonstra que o controlador e a programação funcionam
perfeitamente no controle do processo.
A casa de vegetação A2 atingiu a maior temperatura entre os dois ambientes
durante o período entre 10 e 18 DAT, o que indica que o sistema de atuação na
casa de vegetação A1, mesmo não tendo alcançado os valores ambientais ótimos
para as culturas, atenuou de certa forma a temperatura.
101
Figura 50 – Temperaturas registradas no interior do cultivo protegido A2, sem sistema de automação.
A Figura 50 demonstra uma série de temperaturas registradas em A2
similares às registradas em A1, porém com ligeira alta em todos os períodos,
atingindo o pico no 16 DAT, quando a temperatura interna chegou a 40°C. Em A1,
a temperatura não alcançou esse valor devido a presença dos atuadores,
possivelmente sob forte influência do sistema intermitente de irrigação, que ao
aspergir água no ambiente influencia indiretamente a temperatura do ar e umidade
relativa.
A umidade relativa do ar, registrada durante os 25 dias de experimento,
atingiu seu valor máximo no 10° DAT (94%), e mínimo no 11° DAT (21%). A brusca
oscilação de umidade relativa aferida, decorreu da entrada de uma massa de ar
seco, após a precipitação de 39,8mm no 10 DAT.
A presença da massa de ar seco durante o experimento, puxou os valores
de umidade relativa para níveis abaixo do ideal requisitado pela cultura (Figura 51),
o que aumenta as taxas respiratórias e causa estresse às plantas. Percebe-se que
essa influência negativa da massa de ar seco sobre as plantas, vem acompanhada
pelas altas temperaturas, ratificando a inversibilidade proporcional esperada entre
umidade relativa do ar e temperatura do ambiente.
102
Figura 51- Comportamento da Umidade relativa mínimas e máximas na região e Zona de conforto térmico da cultura (ZCC).
As baixas umidades relativas são atenuadas no interior dos cultivos
protegidos A1 e A2, possivelmente devido a presença de irrigação e formação de
microclima úmido oriundo de atividade respiratória dos vegetais. Fato marcante é
que a umidade relativa no interior de A1 e A2, mantiveram valores dentro da faixa
ideal para as culturas, durante a maior parte do período estudado. A influência
positiva da umidade relativa no interior do cultivo protegido se deve a presença da
cobertura e do efeito climático interno que esta proporciona, sendo afetado pelo
sistema de controle ambiental em níveis aparentemente não significativos. Este fato
pode ser comprovado na figura 52, onde verificam-se as curvas de umidade nos
dois ambientes durante o período experimental.
O atuador de nebulização ao ser responsável pela elevação da umidade
relativa no interior do cultivo protegido automatizado, foi pouco acionado pelo
sistema, devido principalmente ao sistema de irrigação ser realizado por aspersão.
Ao acionar o sistema de irrigação a umidade relativa da casa de vegetação eleva-
se, e ocasiona, quando é alcançado o valor máximo de set point, o acionamento do
sistema de ventilação, com o intuito de atenuar a umidade interna.
103
Figura 52- Comportamento da Umidade relativa do ar na casa de vegetação A1, com automação e A2 sem automação.
A radiação total registrada para o período sofreu influência devido ao número
de dias nublados ao longo do experimento, foram 12 dias no total com alguma
presença de nuvens, e 8 dias de sol pleno. A radiação ao alcançar níveis acima dos
valores programados, aciona a saída de fechamento do sombrite. Verifica-se na
figura 53, o comportamento das variáveis ambientais ao longo de 24 horas no
segundo dia após o plantio, e os dados podem ser comparados com os disponíveis
nos anexos I a IV, oriundos da estação meteorológica do Instituto Nacional de
Meteorologia (INMET) de número A806, no município de São José, vizinho ao local
do experimento.
As estações meteorológicas convencionais não dispõem de dados
referentes à umidade de solo, porém relacionamos a umidade presente nos solos
da região de acordo com a pluviosidade da mesma. Registrou-se no período do
experimento a precipitação de 28mm de chuva ao longo de 25 dias. O valor da
precipitação nos dá uma noção sobre a necessidade ou não de realizar a irrigação
das culturas em campo aberto. Para o cultivo protegido a chuva influencia pouco,
embora em cultivo direto sobre o solo, como no caso de nosso experimento a água
subterrânea acessa por capilaridade a zona radicular das plantas e acaba
influenciando no sistema de irrigação.
104
Figura 53 – Variáveis ambientais na casa de vegetação A1 no segundo dia após transplantio (DAT).
A figura 54 apresenta o comportamento dos atuadores ao longo de um dia
de funcionamento do sistema de controle na casa de vegetação A1. Pode-se
verificar a atuação do sistema de irrigação ao longo das 24 horas, sendo acionado
por cinco vezes ao longo do período, e o comportamento umidade de solo
apresentando-se constante e dentro da faixa ideal programada para a cultura, o
que indica o correto dimensionamento do sistema de irrigação, possibilitando que
o acionamento do atuador controle perfeitamente o processo. O mesmo não é
observado para os outros atuadores, já que a ventilação, a nebulização e o
sombreamento ao serem acionados, afetam sutilmente o processo de temperatura,
umidade relativa e radiação, respectivamente.
A ineficiência do sistema de ventilação fica evidente quando se observa o
acionamento do ventilador próximo das 15:00hs da tarde, e seu desligamento
somente após cinco horas de funcionamento. Essa ocorrência se repetiu em todos
os dias em que a temperatura atingiu os valores máximos da programação. O
desligamento do sistema de ventilação somente ocorreu quando, naturalmente pela
chegada do final do dia, as temperaturas atenuavam-se e alcançavam a faixa ideal
de programação para a cultura. O mesmo fato foi observado para o sistema de
nebulização e sombreamento.
105
Figura 54 – Comportamento dos atuadores em função das variáveis
ambientais internas da casa de vegetação A1.
O sistema de controle ambiental para cultivo protegido desenvolvido neste
trabalho, apresentou funcionamento satisfatório no acionamento dos atuadores de
acordo com a programação implantada para a cultura da alface. Os atuadores de
ventilação, nebulização e sombreamento devem ser melhor dimensionados para
que ocorra a interferência no meio interno da casa de vegetação. Como nosso
trabalho visou prioritariamente analisar o funcionamento do sistema eletrônico de
controle e aquisição dos dados, e não a eficiência dos atuadores, nosso objetivo foi
alcançado com êxito.
Para Cermeño (1977) a disponibilidade de água em quantidade e qualidade
afeta diretamente a produtividade da cultura da alface, já que a mesma apresenta
raiz aprumada e curta, não ultrapassando 25cm de profundidade e possuindo
poucas ramificações. O autor também pontua que a cultura é bastante sensível a
altas temperaturas. O controle da irrigação e da umidade do solo apresentou
funcionamento satisfatório e o atuador de irrigação composto pelas eletroválvulas
atendeu perfeitamente o controle do processo.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4
Funcionamento dos atuadores em função da Um.ar (%), Temp. ( °C), umidade do solo (%) e
radiação (%).
Umidade.Solo A1 Radiaçao A1 Irrigação Ventilação
Nebulização umidade ar Sombrite Temperatura
106
Pode-se inferir que o sistema de irrigação por aspersão, contribuiu devido ao
molhamento foliar para o melhor conforto térmico das plantas, evitando a queda na
absorção de gás carbônico causado pelo fechamento dos estômatos em casos de
estresse por altas temperaturas.
5.2.2 Análise da influência da automação em casas de vegetação nas
características biométricas das alfaces variedade Crespa e Americana.
As coletas dos dados experimentais de alface foram realizadas aos 25 dias
após o transplantio (Figura 55) e passaram por teste de normalidade de dados e
análise de variância. Posteriormente aplicou-se o teste de tukey à 5% de
significância para comparações entre as médias das variáveis: massa fresca total
(MFT), Diâmetro da planta (DP), altura da planta (AP) e diâmetro do colmo (DC).
Figura 55 – Coleta de dados de crescimento alface aos 25 dias após o transplantio das mudas.
O teste de médias das características biométricas Diâmetro do colmo (DC),
Altura da planta (AP), Diâmetro da planta (DP), e Massa Fresca total (MFT) das
duas variedades de alface (V1=Crespa ou V2=Americana) e dos dois ambientes de
cultivo (A1=Com automação e A2=Sem automação) estão apresentados na tabela
107
09. Verificou-se que aos 25 dias após o transplantio (DAT) as alfaces ainda não
haviam alcançado o tamanho comercial para a colheita, 40cm diâmetro da planta e
maior que 0,4kg (Filgueira, 2009).
Tabela 09 – Teste de Tukey a 5% para os ambientes A1 e A2 e para
variedades V1- Alface Americana e V2 Alface Crespa.
Verificou-se diferença estatística para a variável diâmetro da planta, na
análise de médias entre os ambientes A1 e A2, o mesmo não ocorreu entre
variedades crespa e americana, que ao nível de 5% não apresentaram diferença
estatística. Constatou-se que as plantas do cultivo protegido com automação
apresentaram maiores diâmetros em relação às do cultivo manual, o que indica o
melhor desenvolvimento vegetativo no ambiente controlado (Figura 56).
Figura 56-Gráfico Boxplot da dispersão dos dados de diâmetro de planta (DP) nos dois ambientes de cultivo A1 e A2.
Fonte: Simone Sartorio - Laboratório análise estatística (DTAiSeR-Ar/CCA/UFSCar)
Tratamento
(DP)
Diâmetro
planta (cm)
(AP) Altura
da planta
(cm)
(MFT) Massa
Fresca total
(Kg)
(DC) Diâm.
Colmo (cm)
A1 (Automat.) 35,2a 25,7a 0,180a 1,33a
A2 (Manual) 32,3b 23,9a 0,143b 1,19a
V1 (Americana) 34,2a 24,2a 0,182a 1,28a
V2 (Crespa) 32,9a 25,3a 0,140b 1,24a
CV(%) 4,99 10,35 12,34 7,87
Médias seguidas da mesma letra na coluna, não diferem entre si pelo teste de Tukey
a 5%.
108
Para a variável biométrica (AP) e (DC) não foi constatada diferença
estatística, entre ambientes e tampouco variedades, o que pode indicar que estas
características são pouco evidentes até o completo desenvolvimento da planta. O
comportamento dos dados de diâmetro do colmo e altura da planta, mesmo não
apresentando diferença estatística ao nível de 5% de significância, apresentaram
uma tendência de superioridade no ambiente A1 em relação a A2, o que colabora
com a correlação positiva entre ambiente automatizado e maior produtividade das
culturas (Figura 57).
Figura 57 - Gráfico Boxplot de dados diferenciais das variáveis Diâmetro do colmo (DC) e altura da planta (AP) nos ambientes A1 e A2.
Fonte: Simone Sartorio - Laboratório análise estatística (DTAiSeR-Ar/CCA/UFSCar).
O teste de médias evidenciou para a variável massa fresca total (MFT), a
diferenciação entre variedades e entre ambientes. A diferença entre variedades era
esperada, já que se tratam de cultivares distintas, com conformação vegetativa
diferenciada, sendo a variedade crespa mais aberta e menos densa, enquanto que
a variedade americana, por se tratar de uma variedade que fecha suas folhas
centrais para a formação de uma cabeça, produz maior número de folhas internas,
apresentando maior massa fresca total (MFT).
Para Marenco & Lopes (2013) o estresse por falta de água no solo estimula
o fechamento dos estômatos nas plantas, o que prejudica a absorção de dióxido de
carbono e afeta o crescimento dos tecidos vegetais. Assim plantas com estresse
hídrico em algum momento de seu ciclo, apresentam menores índices de
crescimento em comparação com plantas que possuem disponibilidade de água
adequada em todas as fases de desenvolvimento.
109
Os dados de massa fresca total (MFT) colaboram para inferirmos que a
produtividade por área é maior no cultivo protegido com automação em
comparação ao cultivo protegido com sistema de operação manual, e que dentre
as variedades estudadas a alface americana apresenta a maior produtividade por
área. As dispersões dos dados de massa ficam evidentes no gráfico Boxplot (Figura
58).
Figura 58 – Gráfico Boxplot de dados diferenciais da variável massa para os ambientes
Fonte: Simone Sartorio - Laboratório análise estatística (DTAiSeR-Ar/CCA/UFSCar)
Em termos percentuais a média da massa fresca total (MFT) da variedade
V1 (Americana), foi 25% superior no ambiente A1 em relação ao ambiente A2. Para
a variedade Crespa, o mesmo dado de MFT foi 30% maior em A1 do que em A2,
ratificando o melhor desenvolvimento da cultura no ambiente automatizado.
Para Filgueira (2008), a cultura da alface é altamente exigente em água,
necessitando irrigações frequentes e abundantes devido sua expressiva área foliar
e evapotranspiração intensa em dias de altas temperaturas. Para o autor a
qualidade das folhas aumenta linearmente com a quantidade de água aplicada
dentro de certos limites, com teor de água útil no solo acima de 80%, e irrigação
por aspersão a produtividade é aumentada significativamente.
Com os dados obtidos no experimento podemos calcular a produtividade por
hectare da variedade V1 (Americana) e da variedade V2 (Crespa). Os resultados
são apresentados na tabela 10.
110
Tabela 10 – Produtividade de alfaces V1 e V2 nos ambientes A1 e A2.
Tratam. Massa Fresca Total (Kg) Plantas por
hectare Total em Kg
A1V1 0,207 90000 18.660
A1V2 0,153 90000 13.740
A2V1 0,157 90000 14.160
A2V2 0,109 90000 9.810
Constata-se pelo teste de médias e pela análise geral que as produtividades
das duas variedades de alface apresentaram melhores resultados no ambiente A1.
Gonçalves et.al (2017) em experimento de cultivo com diferentes tipos de
alfaces, em ambiente com e sem telas termo refletoras, identificaram
produtividades semelhantes ao do presente experimento, e ainda verificaram um
decréscimo de produtividade com o uso da tela de sombreamento.
A variedade V1, apresentou uma produtividade de 18,6 toneladas por
hectare no ambiente com automação, enquanto que a mesma variedade em A2
produziu 14,1 toneladas. Pode-se inferir que o sistema de automação em
funcionamento incrementou em 4,5 toneladas de alface americana por hectare de
cultivo. A cada ciclo de alface tipo Americana, teríamos um adicional expressivo de
produção, considerando o valor de R$4,67 por kg de alface pago ao produtor
(CONAB - http://www.ceasa.sc.gov.br/index.php/cotacao-de-precos/2017/12-
dezembro-2017 – Ceasa/SC acesso em 07/12/2017), totalizaria um adendo de
R$21.015,00 na receita final de venda.
Para a cultivar de alface crespa o incremento final no ambiente A1 foi de 3,9
toneladas por hectare em comparação a A2, o que aumentaria em R$18.213,00 a
receita por hectare de cultivo dessa variedade.
Em experimento realizado para avaliar a produção de alface em diferentes
épocas de plantio, Ferreira et. al (2014), obtiveram maior produtividade nos meses
de maio e junho, evidenciando o melhor desenvolvimento da cultura da alface
quando em temperaturas amenas. Os mesmos autores inferiram que a
produtividade de alface e seu ciclo é reduzido em função das altas temperaturas
dos meses finais da primavera e verão, o que colabora para suspeitarmos que o
ciclo apresentado pelas culturas do presente experimento, apresentaram-se
reduzidos devido as condições climáticas no período analisado.
111
6. CONCLUSÃO
O controlador eletrônico para casas de vegetação apresentou-se como uma
excelente ferramenta para a inovação no processo produtivo em casas de
vegetação, aumentando a produtividade da cultura da alface tipo americana em
25% e do tipo crespa em 30%. O controlador possui funcionamento satisfatório e
atendeu os requisitos iniciais do projeto como: baixo custo, facilidade de operação
e redução de custos com mão de obra para controle do ambiente protegido, visto
que este controla os processos de irrigação, ventilação, nebulização e
sombreamento automaticamente, sem a necessidade da interferência humana ao
longo do ciclo produtivo.
O sistema de controle ambiental pode ser aplicado para qualquer cultura
vegetal, desde que sejam definidos parâmetros de set points para a programação
manual do controlador eletrônico. O controlador mantém as características
ambientais internas do cultivo protegido mais próximo da faixa ideal para as culturas
vegetais em cada fase de seu desenvolvimento.
O sistema de controle e aquisição de dados apresentou funcionamento
adequado para a cultura de alface. Os atuadores foram acionados através de placa
de relés em cada período crítico de set point acima ou abaixo da programação. Os
atuadores de ventilação, nebulização e sombreamento utilizados no experimento
não alteraram de forma significativa o ambiente interno da casa de vegetação A1,
porém proporcionaram em certa forma, a maior produtividade naquele ambiente. O
atuador de irrigação presente no experimento apresentou funcionamento dentro do
esperado e controlou satisfatoriamente a umidade do solo durante todo o período
experimental.
O sistema de coleta de dados Datalogger desenvolvido no decorrer deste
trabalho, apresentou-se como uma ferramenta interessante de aquisição de dados
para pesquisa. Para os próximos testes experimentais o sistema será incorporado
ao controlador principal, com a finalidade de otimizar o uso de torres e transdutores
no interior das casas de vegetação.
112
6.1 Considerações finais e sugestões para trabalhos futuros
Como sugestão de melhorias e incrementos futuros ao sistema de controle
ambiental, citamos a necessidade de se desenvolver melhores transdutores para
aferição da umidade do solo, com menores ocorrências de oxidação e maior
robustez. Os dados adquiridos pelos transdutores, podem ser tratados pelo micro
controlador levando em consideração valores mínimos e máximos de aquisição, o
que proporcionaria melhor confiabilidade ao sistema de coleta. Outro fator de
melhoria nas características dos sensores é que a programação preveja um número
alto de aquisições por intervalo de tempo, e faça um tratamento destes dados antes
do acionamento dos atuadores. Se as aquisições se apresentarem dentro da
normalidade, é indicativo de que os transdutores estão funcionando corretamente,
caso ocorra discrepância entre valores coletados, o sistema pode acionar um alerta
de possível defeito no transdutor ou torre de aquisição.
Outro incremento ao sistema de controle seria a interface de acesso remoto,
uma pequena placa de ethernet shield a ser acrescentada no controlador
possibilitaria ao agricultor acesso remoto ao ambiente protegido e que o mesmo
acessasse remotamente todo o funcionamento e programação.
Estuda-se como possibilidade de avanços no projeto de controle ambiental,
acrescentar ao dispositivo um sistema de análise de imagens em tempo real, com
interpretação de sistemas de visão. Estes dispositivos permitiriam o monitoramento
just in time do estádio fenológico das culturas, bem como de possíveis
anormalidades fisiológica destas. O sistema seria alimentado por coleta de imagens
do dossel de produção e interpretaria as informações com base em um banco de
dados.
Uma melhoria que está sendo estudada para compor o sistema é a
transmissão de dados via sistema de radiofrequência, para comunicação das torres
de aferição ambiental com o controlador eletrônico. Essa alteração traria muitos
benefícios, pois além de evitar interferências e possíveis erros na transmissão via
cabo, eliminaria os inconvenientes fios e cabos no interior das casas de vegetação.
Novas tecnologias de transmissão como a plataforma LORA, permitem a
transmissão de dados a longas distâncias com consumo baixíssimo de energia.
Com forte aplicação para internet das coisas, a rede LORA de rádio frequência tem
113
possibilidades infinitas de aplicação e contribuirá muito para a automação agrícola
e agricultura de precisão.
Espera-se com a aplicação da tecnologia, contribuir para o aproveitamento
racional da água e energia elétrica, além de gerar benefícios sociais aos produtores
e agroindústrias rurais.
114
7. REFERÊNCIAS
ANDRIOLO, J.L. Fisiologia das culturas protegidas. Santa Maria, Editora UFSM,
1999. 141p.
BARRETO, R.G. SANTOS, A. B. Projeto e Desenvolvimento de uma Estufa
Automatizada para Plantas. 2012. Trabalho de Conclusão e Curso (Bacharelado
em Engenharia Industrial Elétrica com Ênfase em Eletrônica e Telecomunicações)
- Universidade Tecnológica do Paraná. Curitiba, 2012.
BOLTON, W. Mecatrônica: uma abordagem multidisciplinar. Porto Alegre:
Bookman. 2010. 664p.
CANSADO, J.C.A. AGRILOGIC: sistema para experimentação de controle
climático em casas de vegetação. São Paulo. Dissertação mestrado – Escola
politécnica da universidade de São Paulo. Departamento de engenharia da
computação e sistemas digitais. 108p.. 2003.
CAPELLI, A. Automação Industrial: Controle do movimento e processos
contínuos. São Paulo. Érica. 2013. 236p.
CAPELLI, B.M. Desenvolvimento de uma estufa controlada e monitorada
remotamente. São Carlos. Monografia engenharia da computação. Escola de
engenharia São Carlos. Universidade de São Paulo. 77p. 2014.
CASSILHAS, A. M. Determinação da eficácia luminosa natural e da variação
das condições de exposição de superfícies transparentes à luz. Viçosa-MG:
Universidade Federal de Viçosa, PIBIC, CNPq, 2000, 48p. (Relatório final)
CASTILLA, N. Invernaderos de plástico – Tecnologia y manejo. Madrid: Mundi
Prensa. 2005. 462p.
115
CERMEÑO, Z. S. Cultivo de plantas Hortícolas em estufa . Portugal: Litexa.
1977. 368p.
CERMEÑO, Z. S. Estufas instalação e maneio. Lisboa: Litexa. 1990. 355p.
FERREIRA, M. E.; CASTELLANE, P.D.; PESSÔA, M.C. Nutrição e adubação de
hortaliças. Anais do Simpósio sobre nutrição e adubação de hortaliças. Associação
Bras. Pesquisa da Potassa e do Fosfato. Piracicaba – SP.1993. 488p.
FERREIRA, R.L.F. et al. Produção orgânica de alface em diferentes épocas de
cultivo e sistemas de preparo e cobertura de solo. Biosci. J., Uberlandia, v. 30,
n. 4, p. 1017-1023, July/Aug. 2014.
FILGUEIRA, F.A.R. Novo Manual de Olericultura: agrotecnologia moderna na
produção e comercialização de hortaliças. UFV, Viçosa – SP. 2008. 402p.
GONÇALVES, E.D.V; et al. Crescimento e produtividade de cultivares de alface
em ambiente protegido com e sem tela termorrefletora. Scientia Agraria
Paranaensis – SAP. Marechal Cândido Rondon, v. 16, n. 2, abr./jun., p. 193-199,
2017.
HEMKEMAIER, J. Desenvolvimento de uma plataforma de Hardware para
automação de cultivo protegido. Florianópolis –SC: Instituto Federal de Santa
Catarina. Dissertação (Mestrado em Mecatrônica), 105p. 2015.
INMETRO. Vocabulário Internacional de Metrologia: Conceitos fundamentais
e gerais e termos associados (VIM 2012). Instituto Nacional de Metrologia. Duque
de Caxias. RJ. 2012.
LARCHER, W. Ecofisiologia vegetal. São Carlos – SP. Ed. Rima. 2000. 531p.
116
LITJENS, O. J. Automação de estufas agrícolas utilizando sensoriamento
remoto e o protocolo Zigbee. TCC (Engenharia Elétrica), Escola de Engenharia
de São Carlos, USP, São Carlos, 2009.
MARENCO, R. A., LOPES, N.F. Fisiologia Vegetal: fotossíntese, respiração,
relações hídricas e nutrição mineral. Viçosa – MG. 3° ed. UFV. 2013. 486p.
PAIVA, M.C. Produção de hortaliças em ambiente protegido. Mato Grosso:
SEBRAE, 1998. 78p.
PURQUERIO, L.F.V.; TIVELLI, S.W. Manejo do ambiente em Cultivo Protegido.
Piracicaba – SP: IAC, Instituto Agronômico de Campinas. 2010.
REICHARDT, K. A água: absorção e translocação. In: FERRI, M. G. (coord.).
Fisiologia Vegetal. São Paulo: EPU; EDUSP, 1979. v.1, p. 3 -24.
ROMANINI, C.E.B. et. al. Desenvolvimento e simulação de um sistema
avançado de controle ambiental em cultivo protegido. Rev. Bras. Eng. Agr. e
ambiental. Agriambi. V 15. São Paulo. 2010. v.1, p. 3 -24.
ROSÁRIO, J.M. Princípios de mecatrônica. São Paulo. Prentice Hall. Pearson.
2005. 356p.
ROZENFELD, H. et al. Gestão de desenvolvimento de Produtos. Uma
referência para melhoria do processo. São Paulo. Ed. Saraiva, 2015. 542p.
SANTOS, H.G.; JACOMINE, P.K.T.; ANJOS, L.H.C.; OLIVEIRA, V.A.;
LUMBRERAS, J.F.; COELHO, M.R.; ALMEIDA, J.A.; CUNHA, T.J.F.; OLIVEIRA,
J.B. Sistema brasileiro de classificação de solos. 3. ed. Brasília, DF: Embrapa,
2013. 353p.
SGANZERLA, E. Nova agricultura, a fascinante arte de cultivar com os
plásticos. Porto Alegre-RS: Plasticultura Gaúcha, 1997. 297p.
117
SINCLAIR, I.R. Sensors and Transducers: A guide of technicians. 2ed.
Oxford..Butterworth-Heinneman. 1995. 365p.
VIANELLO, R. L., ALVES, A. R. Meteorologia básica e aplicações. Viçosa-MG:
Universidade Federal de Viçosa; Imprensa Universitária, 1991. 449p.
WMO. Guide to Meteorological Instruments and Methods of observation.
World Meteorological Organization WMO – No.8.Chairperson Pub. World. 2014.
1139p.
118
APÊNDICE I – TABELA VALORES META REQUISITOS DO
PROJETO
Valor MetaForma de
avaliaçãoAspectos indesejados
1Taxa de falhas no
HardwareMenor que 5%
Ensaios e testes
em protótipo.
afeta a confiabilidade do
sistema
2Taxa de falhas no
SoftwareMenor que 5%
Ensaios e testes
em protótipo
afeta a confiabilidade do
sistema
3Resistência mecânica
na construção
Resistente à
respingos de
água.
Observação à
campo
Sistema de irrigação
pode molhar os
sensores e controlador.
4 Custo do material < R$1000,00Orçamento
materiais
Qualidade material pode
afetar desempenho.
5 IHM Intuitiva< 3 palavras na
tela
Análise de
informações na
IHM
Manuseio por
operadores
incapacitados.
6 Custo de manutenção <10%Ensaios e testes
em protótipo.
Afeta o acesso à
tecnologia e a
confiabilidade.
7 Resistência à corrosão
> 6meses para
sensores e 1
ano
equipamento.
Contagem de
materiais
afetados
custo do material pode
ser elevado.
8 Sistema de potência até 10ASeleção de
componentes
Necessita equipamentos
acessórios para alta
potência.
9 Custo de operação
Abaixo do
custo com mão
de obra e
energia.
testes em
laboratório
Acesso a tecnologia de
energia renovável
10Custo de Produção
(Material+Mão de Obra)<R$1500,00
Análise do custo
de montagem e
ajuste técnico.
Inviabilidade de acesso
ao pequeno agricultor
11 Preço de Venda
< R$2000,00
para exteno e
=R$Produção
para Extensão
rural.
Medição de custo
de produção +
Lucro desejado.
Comprometer a
qualidade e o
desempenho do
sistema.
Requisitos do projeto
119
APÊNDICE II – PROGRAMAÇÃO SISTEMA CULTURA FOLHOSAS
120
APÊNDICE III – CONSIDERAÇÕES SOBRE TRANSDUTORES DE
UMIDADE DE SOLO.
Algumas empresas tradicionais no ramo de irrigação e componentes
eletrônicos oferecem tecnologias para coleta de dados de umidade de solo. A
empresa Decagon Devices, oferece alguns modelos comerciais de sensores que
trabalham com tecnologia resistiva e capacitiva e outros com tecnologias indutivas
e de micro-ondas. Para o nosso trabalho listamos os sensores EC-5, 10HS e MAS
1 da empresa acima citada e elencamos as principais características dos mesmos
nos tópicos abaixo.
Fonte: Fabricante Decagon.com
Este sensor mede a umidade volumétrica do solo, é o sensor de mais baixo
custo da empresa. Para aumentar sua precisão este sensor deve ser calibrado de
acordo com o tipo de solo em que é instalado. Sua calibração padrão carrega uma
precisão de 3%, se for ajustado para cada tipo de solo pode chegar até 1% de
incerteza na medição.
As características técnicas fornecidas pelo fabricante para o sensor EC-5
estão descritas na tabela a seguir. Percebe-se que este sensor por trabalhar com
sinal de saída em tensão, possui uma versatilidade muito grande de aplicações,
sendo compatível com diversos CLP´s e controladores do mercado.
Características do Sensor de solo EC-5 Decagon Devices
Características do sensor
Alimentação 2,5 a 3,0 V
Precisão sem calibração solo 3%
Sensor de solo EC-5 Decagon Devices.
121
Precisão com calibração 1 a 2%
Dimensões 8,9 x 1,8 x 0,7cm
Comprimento do cabo (encomenda) 5m
Tempo de medição 10ms
Sinal de saída Tensão (correção polinomial)
Temperatura -40 a 50°C
Garantia 1 ano peças e serviços
Fonte: Autor, adaptado de decagondevices.com.
O sensor de umidade de solo MODELO 10 HS da empresa Decagon Devices
foi desenvolvido, segundo a empresa para medir de grandes volumes de água
contidos no solo.
Fonte: Fabricante Decagon.com
O sensor 10 HS possui uma tecnologia capacitiva, o que confere uma
aquisição de dados mais precisa para grandes volumes de água em solos
encharcados, ou solos normais em grande profundidade. Trabalha com faixas de
tensão de 3 a 15V e é compatível com muitos controladores comerciais. Possui as
especificações listadas na tabela a seguir:
Dados técnicos sensor de umidade de solo 10HS Decagon Devices
Características do sensor
Alimentação 3,0 a 15,0 VDC
Precisão sem calibração solo 3%
Precisão com calibração 1 a 2%
Dimensões Não informado
Comprimento do cabo (encomenda) 5m
Tempo de medição 10ms
Sinal de saída Capacitivo
Sensor de solo 10HS Decagon Devices.
122
Temperatura -40 a 50°C
Garantia 1 ano peças e serviços
Fonte: Decagon Devices
O sensor MAS 1 foi desenvolvido pela Decagon para sistemas de alta
precisão. Desenvolvido com tecnologia capacitiva, operando com leitura de
corrente, trabalha com a possibilidade de instalação à grandes distâncias de cabos
sem perder a precisão nos dados de aquisição.
Fonte: Fabricante Decagon.com
Características técnicas do sensor MAS 1 Decagon devices
Características do sensor
Alimentação 12 a 32 VDC
Precisão sem calibração solo 3%
Precisão com calibração 1 a 2%
Dimensões 8,9 x 1,8 x 0,7 cm
Comprimento do cabo (encomenda) 2m e 5m
Tempo de medição 1 segundo
Sinal de saída Corrente 4 a 20 mA
Temperatura -40 a 50°C
Garantia 1 ano peças e serviços
A Decagon Devices ainda possui outros modelos de sensores, que servem
para monitoramento de umidade de solo e condutividade hídrica, além de umidade
e temperatura de solo, para aplicações em que é necessário medir a influência de
outros fatores nos resultados coletados. Um fator inconveniente dos sensores da
Decagon é que os cabos são montados na fábrica, e devem ser encomendados
sob medida. Isso confere maior resistência e qualidade nas medições mas
impossibilita uma alteração no comprimento do cabo em campo, o que seria
interessante para maior mobilidade do sistema. Outras informações de perda de
sinal de aquisição com a distância dos cabos também não são abordadas nos
Sensor de solo MAS1 Decagon Devices
123
manuais, o que deixa dúvida na correta aquisição e dimensionamento de um
sistema com os sensores.
A empresa Rain Bird, disponibiliza sensor de umidade de solo SMRT-Y com
dispositivo de programação e ajuste da umidade desejada. Este dispositivo pode
ser interligado a um controlador e monitorar a irrigação, ou até mesmo acionar um
sistema de bombeamento ou válvula.
Equipamento de medição umidade do solo Smart-Y Rain Bird
Fonte: Rainbird.com
Este kit trabalha com 24V e segundo seu fabricante possui alta precisão, embora
não seja especificada no manual do usuário. Os dados técnicos do dispositivo
também são deficientes. Percebe-se nesse produto uma preocupação elevada com
a simplicidade de instalação e facilidade de operação, porém dados técnicos mais
precisos não são demonstrados pelo fabricante.
Sensor de umidade de solo FC-28.
Fonte: Autor.
O sensor de umidade de solo FC 28 é um sensor puramente resistivo e com
tecnologia bastante simplificada. Funciona com uma precisão média de +-5%, e
trabalha numa faixa de 2,5 a 12V. Possui a possibilidade de ser acoplado em
diversos sistemas de controle, possui placa com conversor de sinal analógico /
digital e seu custo no mercado é consideravelmente baixo. Para projetos onde o
custo de materiais é relevante, apresenta-se como um equipamento de
instrumentação interessante e por isso colocamos em nosso escopo para
124
comparação posterior, suas características técnicas são descritas na tabela a
seguir.
Características sensor de umidade de solo FC-28
Características do sensor
Alimentação 2,5 a 12 VDC
Precisão sem calibração solo 5%
Precisão com calibração Não Informado
Dimensões 5,9 x 2,0 x 0,1 cm
Comprimento do cabo Dimensionável
Tempo de medição Variavel
Sinal de saída Resistência
Temperatura 0 a 50°C
Garantia Não Informado
Fonte: Autor.
Como nosso projeto destina-se a um sistema de baixo custo, o valor
comercial é fator primordial na escolha dos equipamentos. Nada impede que em
casos especiais agricultores possam optar por sensores mais sofisticados em seus
projetos. Percebe-se pelas características técnicas que os sensores são de
aplicação universal e trabalham em larga faixa de tensão, o que os torna
compatíveis com a maioria dos sistemas de controle disponíveis no mercado.
125
APÊNDICE IV – CONSIDERAÇÕES SOBRE TRANSDUTORES DE
TEMPERATURA.
O Transdutor eletrônico DHT 11, é fabricado pela AOSONG Electronics Co.
Ltd. e possui a praticidade de monitorar umidade relativa e temperatura em um
único dispositivo, o que otimiza sua instalação à campo. O ponto negativo deste
modelo é a baixa precisão na aquisição da umidade relativa e a detecção de
temperatura em uma faixa de 0 a 50°C, o que restringe sua aplicabilidade.
Sensor de umidade e temperatura DHT11- AOSONG.
Fonte: Filipiflop.com.br
Características sensor de umidade e temperatura DHT11 AOSONG.
Características do sensor DHT 11
Alimentação 3 a 5 VDC
Precisão aquisição umidade relativa +- 5% UR
Precisão aquisição temperatura +- 2°C
Dimensões 23mm x 12mm x 5mm
Comprimento do cabo Dimensionável
Tempo de resposta 5 s
Faixa de medição de Umidade 20 a 90% UR
Faixa de medição Temperatura 0 a 50°C
Garantia Não Informado
Fonte: Autor, adaptado de filipiflop.com.br.
A termorresistência PT100, também pode ser utilizada para mensurar a
temperatura. O funcionamento deste tipo de sensor se baseia na alteração de sua
126
resistência em função da temperatura. Os sensores modelo PT100, possuem um
range muito grande de temperaturas, realizando leituras desde -290 °C até 900°C.
Sua aplicação é intensa na indústria em ambientes hostis e de altas temperaturas.
Termoresistências modelo PT100.
Fonte: www.pakari.com.br
Dados técnicos sensor PT100.
Características do sensor
Alimentação Não necessita
Precisão aquisição temperatura +- 1°C
Dimensões 2mm x 5mm x 1,5mm
Comprimento do cabo Dimensionável
Tempo de resposta 0,3 s
Faixa de medição Temperatura -200 a 900°C
Garantia 1 ano
Fonte: Autor adaptado de pakari.com.br
O sensor DHT 22 é um sensor de temperatura e umidade relativa do ar,
possui precisão de funcionamento e um valor comercial atraente para projetos de
baixo custo. É um sensor que aprimorou as características do seu antecessor o
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DHT 11, ampliando o range de atuação e melhorando a precisão de aquisição dos
dados.
Sensor de umidade e temperatura DHT 22.
Fonte: Filipiflop.com
Características técnicas sensor umidade e temperatura DHT22.
Características do sensor DHT 22
Alimentação 3 a 5 VDC
Precisão aquisição umidade relativa +- 2% UR
Precisão aquisição temperatura +- 0,5°C
Dimensões 25mm x 15mm x 7mm
Comprimento do cabo Dimensionável
Tempo de resposta 5 s
Faixa de medição de Umidade 0 a 100% UR
Faixa de medição Temperatura -40 a 80°C
Garantia 90 dias Fonte: Autor, adaptado de filipiflop.com.
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ANEXO I – DADOS DE RADIAÇÃO DA ESTAÇÃO
METEOROLÓGICA INMET A806, DURANTE O PERÍODO
EXPERIMENTAL.
Variação da radiação em 24 horas no primeiro dia após o plantio (DAT), e na sequência
diária até o 10° DAT aferida por estação experimental do Instituto nacional de meteorologia,
estação automática A806 – Florianópolis São José.
Fonte: Figuras disponibilizadas no site do Instituto nacional de meteorologia (INMET).
www.inpe.gov.br. (Acesso em 25/11/2017).
129
ANEXO II– DADOS DE TEMPERATURA DA ESTAÇÃO
METEOROLÓGICA INMET A806, DURANTE O PERÍODO
EXPERIMENTAL.
Variação da temperatura ambiente de 0 a 20 dia após o plantio (DAT), aferida por estação
experimental do Instituto nacional de meteorologia, estação automática A806 –
Florianópolis São José.
Fonte: Figuras disponibilizadas no site do Instituto nacional de meteorologia (INMET).
www.inpe.gov.br. (Acesso em 25/11/2017).
130
ANEXO III– DADOS DE UMIDADE RELATIVA DO AR DA ESTAÇÃO
METEOROLÓGICA INMET A806, DURANTE O PERÍODO
EXPERIMENTAL.
Variação da temperatura ambiente de 0 a 20 dia após o plantio (DAT), aferida por estação
experimental do Instituto nacional de meteorologia, estação automática A806 –
Florianópolis São José.
Fonte: Figuras disponibilizadas no site do Instituto nacional de meteorologia (INMET).
www.inpe.gov.br. (Acesso em 25/11/2017).
131
ANEXO IV– DADOS DE PRESSÃO ATMOSFÉRICA E
PRECIPITAÇÃO DA ESTAÇÃO METEOROLÓGICA INMET A806,
DURANTE O PERÍODO EXPERIMENTAL.
Fonte: Figuras disponibilizadas no site do Instituto nacional de meteorologia (INMET).
www.inpe.gov.br. (Acesso em 25/11/2017).
132
ANEXO V – CARACTERÍSTICAS DOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA
DE RADIAÇÃO DE ACORDO COM O DOCUMENTO 8 DA
ORGANIZAÇÃO MUNDIAL DE METEOROLOGIA.
Fonte: (WMO, 2014)
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Fonte: (WMO, 2014)