sistema de cultivo hidropônico: controle · 2019. 12. 17. · instituto federal de santa catarina...

INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA

MARINA SOUZA

Sistema de Cultivo Hidropônico: Controle

São José - SC

Novembro/2019

SISTEMA DE CULTIVO HIDROPÔNICO: CONTROLE

São José - SC

Novembro/2019

RESUMOO projeto irá implementar um sistema para controle da produção de hortaliças cultivadas através datécnica de hidroponia. Os parâmetros ajustados pelo sistema serão essencialmente a fertirrigação, umagitador de fluídos, a temperatura no reservatório, incidência de luz sobre as mudas e ventilação. O sistemairá utilizar dados coletados pelos sensores previamente instalados na estufa e irá realizar os acionamentosde acordo com as regras de cultivo cadastradas pelo usuário. Desta forma, busca-se obter um sistemaautomatizado, que utilize apenas os insumos necessários para o cultivo e diminua o risco de falhas humanasna dosagem de fertilizante ou frequência incorreta de irrigação. Além disso, o usuário terá a possibilidadede controlar a temperatura do reservatório e características do ambiente como luminosidade e ventilação.

Palavras-chave: Hidroponia. Cultivo automatizado. Controle de produção.

ABSTRACTThe project will implement a system to control the production of vegetables grown through the hydroponicstechnique. The parameters set by the system will be essentially fertigation, a fluid stirrer, the temperaturein the reservoir, light incidence on the seedlings and ventilation. The system will use data collected bysensors previously installed in the greenhouse and will perform the drives according with the cultivationrules registered by the user. Thus, we seek an automated system that uses only the inputs needed forcultivation and reduces the risk of human fertilizer dosage failure or incorrect irrigation frequency. Inaddition, the user will be able to control the tank temperature and environmental characteristics such asbrightness and ventilation..

Keywords: Hydroponics. Automated cultivation. Production control.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Hidroponia por pavio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Figura 2 – Hidroponia por flutuação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Figura 3 – Hidroponia por sub-irrigação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Figura 4 – Hidroponia por NFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 5 – Hidroponia por gotejamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 6 – Diagrama de módulos do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Figura 7 – Arquitetura do protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Figura 8 – Cronograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

NFT Nutrient Film Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

CE condutividade elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

PH potencial hidrogeniônico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

IFBA Instituto Federal da Bahia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

UFSC Universidade Federal de Santa Catarina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

IFSC Instituto Federal de Santa Catarina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1 Hidroponia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.1 Sistema de pavio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.2 Sistema por flutuação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.3 Sistema de sub-irrigação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.4 Sistema Nutrient Film Technique (NFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.5 Sistema de gotejamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.6 Sistema de aeroponia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Soluções existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4 Atuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4.1 Eletrobomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4.2 Eletroválvula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4.3 Aquecedor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5 Solução nutritiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.6 Condutividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.7 Módulo de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 PROPOSTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.1 Algoritmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1.1 Módulo de controle da solução nutritiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1.2 Módulo de controle térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1.3 Módulo de controle da irrigação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1.4 Módulo de controle das condições do ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.1 Estudo da arquitetura da aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.2 Teste dos atuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.3 Implementar os algoritmos de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.4 Construção do protótipo de uma calha de hidroponia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.5 Teste do sistema de controle no protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.6 Escrita do TCC e apresentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.7 Cronograma de execução do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

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1 INTRODUÇÃO

A produção de alimentos em larga escala e a restrição de espaço de plantio em áreas metropolitanasexigem que produtores busquem alternativas para otimizar seu espaço físico produtivo e economizar seusrecursos. A utilização da técnica de hidroponia para produção de hortaliças oferece uma alternativa aotradicional uso do solo e propõe fornecer à planta quantidades água e nutrientes de forma controlada,gerando um cultivo padronizado e com ciclos de colheita regulares. Segundo Furlani et al. (2009), para quehaja sucesso e bom desenvolvimento da cultura hidropônica se faz necessária uma constante manutençãoda concentração de nutrientes na solução.

Outro motivo para difusão da técnica hidropônica é não dependência do clima local para cultivo,possibilitando a instalação de estufas subterrâneas, regiões frias que tenham propensão a geada ou regiõesde clima semi-árido como nordeste brasileiro. No Brasil, a alface (Lactuca sativa L) é a mais importantehortaliça produzida em sistema hidropônico Nutrient Film Technique (NFT) (PAULUS, Dalva., 2012).

Existem diversas estruturas possíveis para o cultivo hidropônico, alguns sistemas podem manter asolução nutritiva estática na raiz da planta como é o caso do sistema por pavio ou a técnica mais popular,que consiste em gerar um fluxo corrente da solução na raiz e retorna-la ao reservatório. A formulação dasolução também pode variar em cada cultivo. Podem ser empregadas na hidroponia com uso de váriostipos de adubos em suas fórmulas, exemplos: nitrato de cálcio especial; nitrato de potássio; sulfato demagnésio; cloreto de potássio branco e entre muitos outros (LabHidro).

Em cultivos hidropônicos é usual avaliar o teor de nutrientes na solução nutritiva de forma indireta,medindo sua condutividade elétrica (CE) (VERDONCK, 1982). No entanto, outros parâmetros tambéminfluenciam no crescimento da hortaliça, como por exemplo a acidez (potencial hidrogeniônico (PH)) dasolução nutritiva a incidência de luz sobre a planta e regularidade da umidade na raiz.

A automatização dos processos cultivo aplicando as premissas da Industria 4.0 como a capacidadede coletar e analisar dados para tomada de decisão, contribuiu para surgimento do termo Agricultura4.0. Segundo Ribeiro et al. (2018) da Universidade Federal de Goiás, a Agricultura 4.0 contribuirá coma redução do consumo de água, fertilizantes e pesticidas, comumente aplicados de forma uniforme noscampos. Com a tecnologia, será possível utilizar apenas as quantidades mínimas necessárias, aplicadas emáreas específicas.

1.1 Objetivos

O sistema hidropônico implementado atualmente no LabHidro é o modeloNFT e neste sistema, porpadrão, o fluxo de solução nutritiva deve ser acionado a cada 10 minutos. Com a absorção dos nutrientespelas plantas, a concentração de fertilizantes em relação a água é alterada e precisa ser reajustada paramanter o valor e condutividade constante. Como o protótipo será implementado baseado na estrutura doLabHidro e motivado pela a necessidade de manutenção constante nesse tipo de sistema, será implementadoum sistema de controle que utiliza os valores captados pelos sensores para tomada de decisão na execuçãodos principais acionamentos.

• Especificação dos parâmetros que serão manipulados pelo sistema

• Implementação de um protótipo para simulação dos acionamentos

Capítulo 1. Introdução 8

1.2 Estrutura

O documento apresenta no Capítulo 2 a fundamentação teórica, descrevendo a técnica dehidroponia, os sensores que serão utilizados para coleta dos parâmetros, quais acionadores serão utilizadosno sistema, o que compõe a solução nutritiva e os principais parâmetros usados como referência para oalgoritmo: condutividade e nível de solução no reservatório. No Capítulo 3 será desenvolvida a propostado sistema, com o diagrama do protótipo e cada um dos módulos individuais do sistema. No Capítulo 4serão descritas as etapas do desenvolvimento do projeto e o cronograma de atividades.

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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Hidroponia

Hidroponia é uma técnica de cultivo onde as plantas recebem todos os seus nutrientes através deágua. A primeira referência em literatura sobre o cultivo de plantas sem uso do solo é do pesquisadoringlês John Woodward (1665–1728) que cultivou plantas de menta (Mentha spicata) em vasos com águada chuva, torneira, enxurrada e líquido de esgoto diluído, tendo observado maior crescimento nas plantascultivadas com líquido de esgoto diluído (FURLANI et al., 2009). Por ser adequar a áreas urbanas, locaiscom limitação territoriais, com solos inférteis ou regiões áridas, a técnica se popularizou por oferecer umalternativa ao cultivo tradicional no solo que é suscetível a pragas e fertilidade da terra.

Segundo RODRIGUES (2002), o desenvolvimento do cultivo hidropônico brasileiro, em escalacomercial, deve–se ao pioneirismo de Shigueru Ueda e Takanori Sekine que trouxeram a técnica do Japão,e apresentaram, em 1990, o primeiro projeto piloto de hidroponia comercial para a cultura da alface.Quanto a forma de nutrição da planta, um sistema hidropônico pode ser classificado como dinâmicoou estático. No sistema dinâmico a solução nutritiva circula nos dutos várias vezes durante o dia e emum sistema hidropônico estático solução nutritiva permanece estática em contato com as raízes. Alémdisso, os sistemas também podem ser classificados como abertos, ou seja, quando a solução não retornaao reservatório ou fechados quando retorna ao reservatório de solução nutritiva. Diversas arquiteturasde cultivo foram desenvolvidas utilizando os princípios da hidroponia, algumas com foco em economiade matéria prima outras buscando evitar a necessidade de manutenção constante. Na sessão 2.1 serãodescritos os sistemas mais comuns utilizados atualmente.

2.1.1 Sistema de pavio

Em um sistema de hidroponia por pavio a planta absorve a água e o fertilizante pelo contato comum material absorvente como fibra de coco, vermiculita, perlita ou nylon que está em contato com asraízes das plantas e um reservatório de solução nutritiva A Figura 1 apresenta um diagrama de um sistemahidropônico por pavio. O substrato libera a solução automaticamente por diferença de potencial hídrico epelo princípio da capilaridade. Portanto, é a própria planta que regula o fluxo de água e solução nutritivado substrato, não havendo necessidade de controles automatizados, bombas, mangueiras de gotejamentoou bicos gotejadores (FERRAREZI et al., 2011).

Figura 1 – Hidroponia por pavio

Fonte: (SHARMA, Nisha, 2018)

Capítulo 2. Fundamentação Teórica 10

2.1.2 Sistema por flutuação

No sistema hidropônico por flutuação as plantas são alocadas sobre uma bandeja de modo queas raízes ficam em contato com uma lamina da solução nutritiva. Pela simplicidade, essa estrutura é debaixo custo e não requer manutenção frequente como o sistema NFT, por exemplo. Por ser um métodoestático ou seja, não há movimentação da solução, ela dispensa gastos de energia para acionamento deválvulas ou bombas, no entanto, necessita de um mecanismo para oxigenar a água. A Figura 2 apresentaum diagrama de um sistema implementado pelo método por flutuação.

Figura 2 – Hidroponia por flutuação


2.1.3 Sistema de sub-irrigação

Em um sistema de sub-irrigação as mudas possuem um substrato (terra) no suporte na muda. Essesubstrato e por consequência as raízes das hortaliças são fertilizadas pela solução nutritiva disposta nascalhas. A Figura 3 representa o sistema composto pelas mudas no substrato e um reservatório posicionadoabaixo. A bandeja com as mudas recebe a solução nutritiva, que é bombeada através de um cano e retornaao reservatório.

Figura 3 – Hidroponia por sub-irrigação


2.1.4 Sistema Nutrient Film Technique (NFT)

O sistema mais popular para produção comercial é o NFT. Segundo a análise feita por Zen,Brandão e Arbage (2017), produtores relatam que esse sistema apresenta durabilidade, limpeza e custorelativamente baixo de operação. Uma das principais vantagens desse sistema e a recirculação da soluçãonutritiva reduzindo, desta forma, o desperdício de fertilizante. A Figura 4 apresenta um diagrama com aestrutura de hidroponia NFT. Esse sistema possui um reservatório onde a solução nutritiva é armazenadae bombeada nas calhas a cada 10 minutos aproximadamente. As calhas possuem aproximadamente 5o deinclinado, criando um fluxo de solução nutritiva corrente nas raízes e despejando novamente no tanque.


Figura 4 – Hidroponia por NFT


2.1.5 Sistema de gotejamento

A principal característica de um sistema de fertirrigação por gotejamento é economia de água queele propicia. No entanto, possui um custo maior de implementação visto que necessita de um gotejadorpróximo à raiz de cada muda e a solução nutritiva precisa ser filtrada para evitar entupimentos. A Figura5 apresenta um diagrama onde solução nutritiva é retirada do depósito por uma bomba, e liberada nascalhas em forma de gotas, por meio dispositivos chamados de gotejadores.

Figura 5 – Hidroponia por gotejamento


2.1.6 Sistema de aeroponia

A técnica de aeroponia visa evitar desperdício de água e aumentar a quantidade de plantascultivadas por metro quadrado. Para isso, a sua estrutura mantém as plantas suspensas e borrifa a soluçãonutritiva nas raízes, dispensando a necessidade de fluxo de água corrente, como ocorre em um sistemaNFT, no entanto, é um sistema com o alto custo de implementação.

2.2 Soluções existentes

Diversos sistemas já implementam a automatização de alguma etapa do sistema hidropônico,principalmente os procedimentos que são executados com maior periodicidade, como é o caso da bomba asolução nas calhas em um sistema NFT, acionada por timer. Um projeto semelhante foi implementado porAllef Silva Souza do Instituto Federal da Bahia (IFBA) - Câmpus Jequié, onde utiliza um sensor de PH(SKU:SEN0161), um condutivimetro (GfSignet Série 2820), o sensor de umidade e temperatura DHT11 eum sensor de fluxo controlado por um microcontrolador ATmega328. Comercialmente, há soluções como


Bluelab Pro Controller (Nutrient & pH Doser) 1, que possui sensores de PH, condutividade e temperaturae de acordo com os valores de PH e intensidade nutritiva ele ajusta as bombas dosadoras conectadas aosseus tanques.

O estudante Marcos Morelli, graduando de engenharia da computação em 2010 pela UniversidadeFederal de Santa Catarina (UFSC), apresentou como proposta de trabalho de conclusão de curso umsistema de controle e automação de cultivo hidropônico. A proposta é o desenvolvimento de um sistemaembarcado utilizando um micro controlador para automatizar de um cultivo hidropônico. O microcontrolador recebe as informações de entrada PH, CE, informações sobre o funcionamento da bomba eatua de forma automática sobre cultivo.

2.3 Sensores

No projeto proposto, os dados serão adquiridos por sensores já instalados dentro do reservatório,sobre a calha e na esponja que suporta as plantas. Após a coleta eles são processados por um RaspberryPI e armazenados em banco de dados na nuvem. O principal parâmetro que será usada para mensurar aconcentração da solução nutritiva será o valor da condutividade elétrica pois indica a quantidade de saispresentes no líquido. O modelo instalado é sensor de condutividade da cooking-hacks R©.

No reservatório, além da condutividade, também serão coletados dados de nível da solução. Omodelo do sensor ultrassom instalado para definir o nível é o HC-SR04 da fabricante OSEPP Electronics.A temperatura do líquido será medida pelo sensor DS18B20 e por fim, o PH será mensurado com umsensor PH da marca Eltric.

Para controle dos parâmetros do ambiente, teremos disponíveis para controle sombrite que podeser acionado para cobrir a mesa de hidroponia e evitar excesso de luminosidade e um ventilador quecontrola a aeração dentro da estufa. Para coleta do nível de luminosidade será instalado um sensor deluminosidade modelo BH1750 do fabricante ROHM Semiconductor. Já a detecção de radiação UV serárealizada por um sensor Guva-S12SD, ambos os sensores serão instalados nas calhas junto às plantas. Naesponja que suporta a planta terá um sensor de umidade Yl-69 do fabricante Arduíno.

2.4 Atuadores

2.4.1 Eletrobomba

A solução nutritiva será bombeada para as calhas por uma eletrobomba alimentada por 220v, como diâmetro de saída de 1 polegada. Ela será acionada na periodicidade definida pelo algoritmo, levandoem consideração os valores de umidade mensurados na raiz da planta.

2.4.2 Eletroválvula

O projeto terá uma eletroválvula na saída do reservatório de fertilizante e outra na saída doreservatório de água. Ambas serão alimentadas por 220v e serão acionadas de modo que a concentraçãoda solução resultante possua o valor de condutividade elétrica estabelecida pelo usuário.

2.4.3 Aquecedor

Além da temperatura do ambiente, a temperatura da solução nutritiva também influencia nodesenvolvimento das plantas. Segundo FILGUEIRA, F. A. R (2004) a cultura da alface em temperaturas1 Acessível em: https://purehydroponics.com/products/bluelab-electronic-test-control-products/bluelab-controllers-24-hour-

management/bluelab-pro-controller-connect/


acima de 25 oC acelera seu ciclo, resultando em plantas menores, visto isso, será incluído um aquecedorpara manter a temperatura do líquido no valor adequado.

2.5 Solução nutritiva

A principal diferença entre arquiteturas de hidroponia apresentadas consiste no modo de fornecera solução nutritiva às raízes das mudas. Segundo o LabHidro, é fundamental verificar periodicamente aqualidade da água, enviando amostras para análise da composição química, a fim de checar a quantidadede nutrientes, salinidade, concentração de coliformes fecais e patógenos. Quando cultivadas de formatradicional, ou seja, com uso do solo, as plantas absorvem os elementos químicos necessários para o seudesenvolvimento (nitrogênio, fósforo, potássio entre outros) diretamente da terra. Para cultivo hidropônicoé elaborada uma concentração de água e elementos químicos específica para cada espécie de plantaconsiderando suas necessidades fundamentais. No decorrer do cultivo, a planta absorve parte dos nutrientesda solução alterando sua concentração, nesse momento, surge a necessidade da manutenção da solução, afim de manter a concentração de nutrientes especificada.

2.6 Condutividade

O principal parâmetro para mensurar a concentração da solução nutritiva é a condutividadeelétrica, visto a relação direta da condutividade com a quantidade de sais presentes na água. SegundoBARBIERI E; MELO DJF de; (2010) o aumento da CE da solução impede que a planta absorvaágua para suprir a demanda evaporativa, de tal forma que os estômatos impeçam as trocas gasosas, e,consequentemente, a assimilação de carbono.

2.7 Módulo de controle

O hardware do módulo de controle do projeto será composto por uma placa controladora de relée um microcontrolador Raspberry PI. A Raspberry PI terá um serviço WEB aguardando requisiçõespara acionar cada saída da placa controladora. No servidor em nuvem, estará alocado o algoritmo com asregras de negócio de cada um dos módulos individuais e o banco de dados com os parâmetros configuradospelo usuário.

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3 PROPOSTA

O projeto implementará um sistema de controle para um sistema hidropônico na arquitetura NFT.Esse sistema será composto por um protótipo de mesa de cultivo construída no Instituto Federal de SantaCatarina (IFSC) campus de São José, com uma rede de sensores previamente instalada monitorando osparâmetros essenciais e com os acionadores citados na sessão 2.4. Será desenvolvido também, um aplicativomobile, para receber os valores de entrada e configurar os valores desejados para cada parâmetros a sercontrolado. O algoritmo de automatização se comunica com o processador módulo de controle via WI-FI.

Figura 6 – Diagrama de módulos do projeto

Fonte: Elaborado pelo autor

O processador será responsável por acionar os relés na placa de comandos e controlar os acionadores.O diagrama apresentado na Figura 6 apresenta quais sensores e atuadores que compõem cada módulo.

Capítulo 3. Proposta 15

3.1 Algoritmos

O protótipo será implementado com quatro módulos de controle independentes, cada um terá umalgoritmo interpretando dados dos sensores e executando acionamentos. Eles foram divididos de acordocom as propriedades que podem manipular: módulo de controle de solução nutritiva, módulo decontrole de irrigação, módulo de controle térmico e módulo de controle das condições do ambiente.

Figura 7 – Arquitetura do protótipo


Para implementação da lógica do algoritmo, serão utilizados os dados coletados pelos sensorespreviamente instalados e disponibilizados em um servidor local. A integração do software com os equipa-mentos será realizada através do sistema de controle que contém um processador Raspberry PI. A Figura7 apresenta uma ilustração do posicionamento de cada sensor e acionador no projeto.

3.1.1 Módulo de controle da solução nutritiva

O módulo de controle da solução nutritiva irá monitorar o nível (3) e a condutividade(4) da solução e realizar os acionamentos necessários nas válvulas e agitador para manter a métrica novalor definido pelo usuário. Será instalado no reservatório um motor agitador (6) para homogeneizaçãoda solução antes de dispensá-la nos dutos, válvulas elétricas para controle da vazão da água (8) e dofertilizante (9) que serão misturados no reservatório.

3.1.2 Módulo de controle térmico

O módulo de controle térmico permitirá que o usuário insira um valor limite para temperaturada solução. Para permitir esse controle, será incluído um aquecedor (7) no reservatório para possibilitar oajuste da temperatura no inverno ou quando o sensor mensurar um valor abaixo do mínimo cadastradopelo usuário.

3.1.3 Módulo de controle da irrigação

No módulo de controle da irrigação será instalado um sensor de umidade (11) no suporteesponjoso da muda que coletará dados referente à umidade na raiz. O valor da umidade na raiz e o valorde referência de umidade e de tempo máximo entre irrigações definido pelo usuário serão usados como

Capítulo 3. Proposta 16

parâmetros para acionamento da eletrobomba (10). Nesse etapa, será importante garantir que há fluxo delíquido e que o sistema irá alertar o usuário caso ocorra alguma situação inesperada.

3.1.4 Módulo de controle das condições do ambiente

No módulo controle das condições do ambiente o sensor de iluminação (1) será usadopara manter a luminosidade dentro de uma faixa preestabelecida sobre a planta, habilitando lâmpadasdurante a noite ou em dias de nebulosidade. As calhas também possuem um sensor de temperatura(2) que irá coletar dados no ambiente interno da estufa. Como o laboratório de hidroponia da UFSCdisponibiliza janelas e sombrites que podem ser manipulados via motor elétrico, o sistema permitirá que ousuário ajuste a ventilação a fim de controle da temperatura interna da estufa e a sombrite para controleda incidência de radiação solar sobre as plantas.

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4 METODOLOGIA

4.1 Estudo da arquitetura da aplicação

A primeira etapa no desenvolvimento do projeto é estudo dos sensores em operação e dos dadoscoletados por eles e disponibilizados no servidor em nuvem. A segunda etapa será definir a comunicaçãoentre o Raspberry e a placa de comandos onde serão conectados os acionadores. Na sequência será definiçãodo algoritmo de cada um dos sistemas independente e o estudo das plataformas para desenvolvimentomobile a fim de definir a melhor arquitetura para o aplicativo.

4.2 Teste dos atuadores

Os sensores e atuadores serão testados individualmente para garantir a calibragem e que a coletade dados está na escala correta para interpretação do algoritmo. Cada acionador estará conectado à umaplaca controladora de relé, configurados de modo normalmente aberto e acionados através do Raspberry.Após validação da coleta dos sensores e com os equipamentos respondendo à comandos diretos (contatosda placa de relé).

4.3 Implementar os algoritmos de controle

O principal processo a ser testado nesta etapa será o ajuste de concentração da solução nutritivapelo acionamento das eletroválvulas posicionadas na saída dos reservatórios de água e fertilizante. Nessaetapa será definida a vazão ideal de cada sustância e tempo de acionamento. Será implementado o algoritmopara automatização dos acionamentos e para cada acionador será implementada uma classe com as açõesbásicas e integrados no algoritmo de cada sistema.

4.4 Construção do protótipo de uma calha de hidroponia

Será desenvolvido no IFSC Campus São José uma protótipo das mesas de hidroponia que existemno LabHidro. As calhas serão cedidas pelo LabHidro e terão aproximadamente 3 metros de comprimento.Primeiramente, será montada a estrutura para implementar e testar o sistema de controle da soluçãonutritiva e o sistema de controle da irrigação e na sequência serão adicionados os acionadores dos outrosdois sistemas.

4.5 Teste do sistema de controle no protótipo

O teste em campo envolve testar o funcionamento de todos os sistemas individuais operando emconjunto, utilizando os parâmetros de entrada (condutividade elétrica, limiar de umidade, temperaturamáxima do liquido) definidos pelo usuário. O teste será validado monitorando os valores coletados pelossensores.

4.6 Escrita do TCC e apresentação

Após a construção do protótipo, será documentado o processo e os resultados na monografia epreparada a apresentação para a defesa do projeto.

Capítulo 4. Metodologia 18

4.7 Cronograma de execução do projeto

Figura 8 – Cronograma


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REFERÊNCIAS

BARBIERI E; MELO DJF de; , e. a. Condutividade elétrica ideal para o cultivo hidropônico de alface emambientetropical. 2010.

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Folha de rostoResumoAbstractLista de ilustraçõesLista de abreviaturas e siglasSumárioIntrodução ObjetivosEstrutura

Fundamentação TeóricaHidroponiaSistema de pavioSistema por flutuaçãoSistema de sub-irrigaçãoSistema Nutrient Film Technique (NFT)Sistema de gotejamentoSistema de aeroponia

Soluções existentesSensoresAtuadoresEletrobombaEletroválvulaAquecedor

Solução nutritivaCondutividadeMódulo de controle

PropostaAlgoritmosMódulo de controle da solução nutritivaMódulo de controle térmicoMódulo de controle da irrigaçãoMódulo de controle das condições do ambiente

MetodologiaEstudo da arquitetura da aplicaçãoTeste dos atuadoresImplementar os algoritmos de controleConstrução do protótipo de uma calha de hidroponiaTeste do sistema de controle no protótipoEscrita do TCC e apresentaçãoCronograma de execução do projeto

Referências

sistema de cultivo hidropônico: controle · 2019. 12. 17. · instituto federal de santa catarina...

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