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SISTEMA PARA CONTROLE DE ABRIGOS DE CULTIVO COM UTILIZACAO DEENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Cristiano Santos Pereira de Abreu∗, Anderson Luiz Fernandes Perez∗

∗Laboratorio de Automacao e Robotica MovelUniversidade Federal de Santa Catarina

Ararangua, Santa Catarina, Brasil

Emails: [email protected], [email protected]

Abstract— The control in greenhouses is performed with the continuous monitoring of environmental vari-ables to make decisions that interfere with the environment and bring about the necessary changes to maintainthe desirable state of the physiological needs of the present crop for a correct management of the production envi-ronment. This paper presents a system for greenhouses control, which uses a Raspberry Pi to perform the controlautomatically, conditioning the shelter to provide the appropriate climate for the development of the crop fromthe acquisition of the climatic conditions of the environment integrating the management of 3 energy sources:solar photovoltaic, the distribution utility and a battery stationary operation for faults and energy savings as asustainable practice.

Keywords— Automation, Greenhouses, Network Control Systems, Renewable Energy

Resumo— O controle em um abrigo de cultivo e realizado com base no monitoramento contınuo das variaveisdo ambiente para tomar decisoes que interferem no microclima do abrigo e provocam as mudancas necessariaspara manter o ambiente adequado as necessidades fisiologicas do cultivo presente. Nesse artigo e apresentado umsistema para controle de abrigos de cultivo, que utiliza um Raspberry Pi para realizar o controle automaticamente,condicionando o abrigo para oferecer o clima adequado para o desenvolvimento da cultura a partir da aquisicaodas condicoes climaticas do ambiente integrando o gerenciamento de 3 fontes de energia: solar fotovoltaica, daconcessionaria de distribuicao e de uma bateria estacionaria, visando a operacao em caso de falhas e a economiade energia como pratica sustentavel.

Palavras-chave— Abrigo de Cultivo, Automacao, Energia Renovavel, Sistemas de Controle em Rede

1 Introducao

A producao agrıcola em ambientes protegidos ouabrigos de cultivo, e uma alternativa aos meto-dos tradicionais de producao em ambientes aber-tos possibilitando controle das condicoes climati-cas como temperatura, umidade do ar e irradi-acao solar, oferecendo assim um melhor aprovei-tamento da area e condicoes para o crescimentoe desenvolvimento das culturas e apresentam di-versas vantagens em relacao ao cultivo tradicionalcomo maior produtividade, aumento na protecaocontra doencas, pragas, insetos, possibilidade deplantio fora de epoca e economia de ate 70% nouso de agua em relacao a agricultura tradicional,entre outros (Negocios, 2013). Porem, o cultivoem abrigos e mais complexo, exigindo experien-cia do produtor no manejo do ambiente que e en-tendido como o gerenciamento de fatores que in-fluenciam no crescimento e desenvolvimento dasplantas com a utilizacao de instrumentos de con-trole presentes em um abrigo como janelas, ven-tiladores, exaustores, cobertura de sombreamentoe irrigacao (Junior, 2011). Tais instrumentos saodependentes de eletricidade e a falta de energiaeletrica por perıodos extensos, podera comprome-ter toda a producao (Litjens et al., 2009).

Este trabalho apresenta o desenvolvimento deum sistema que integra o controle da automacaode um abrigo de cultivo com o gerenciamento ener-getico necessario para a sua operacao e possui a

seguinte estrutura: a Secao 2 trata da utilizacaode energia solar em abrigos de cultivo; a Secao 3discorre sobre abrigos de cultivo; a Secao 4 expoeo sistema desenvolvido; subsequentemente na Se-cao 5 sao apresentados os resultados e na ultimaSecao estao as conclusoes do trabalho.

2 Energia Solar Fotovoltaica e a suaUtilizacao em Abrigos de Cultivo

O Sol e o responsavel por toda a energia que chegaa Terra. A grande quantidade de energia que eemitida pelo Sol chega a superfıcie terrestre pormeio da radiacao de ondas (Aguiar et al., 2012)estando indiretamente ligada em todas as fontesde energia utilizadas pelo homem como: combus-tıveis fosseis, biomassa, eolica, e a energia ma-rıtima sendo essencial para nossa sobrevivencia.Esta energia proveniente do sol e aproveitada emforma de calor e tambem pela luz em forma deenergia luminosa que e essencial na fotossıntesedas plantas e para geracao de energia eletrica comutilizacao de paineis fotovoltaicos (Silva, 2007).

O uso de energias renovaveis em abrigos decultivo resulta em preservacao ambiental, au-mento do uso de recursos locais de energia reno-vavel em vez de combustıveis fosseis; possibilidadede criacao de um rendimento adicional para o agri-cultor pela utilizacao de energia solar fotovoltaicaentregando o excedente de geracao de eletricidadepara a rede eletrica publica, gerando creditos com

XIII Simposio Brasileiro de Automacao Inteligente

Porto Alegre – RS, 1o – 4 de Outubro de 2017

ISSN 2175 8905 2340

a concessionaria de energia eletrica como nos sis-temas On Grid ou Grid Tie (Vourdoubas, 2016).

Opcoes para utilizar energias renovaveis estaocada vez mais proximas dos agricultores atraves deprogramas do Governo Federal Brasileiro que in-centivam a utilizacao de energia solar fotovoltaicapor meio de financiamento de paineis fotovoltaicosviabilizando o seu uso para suprir a demanda totalou parcial da energia necessaria para a operacaode um abrigo de cultivo mesmo com uma falha natransmissao, logo o produtor nao fica dependenteapenas da energia fornecida pela concessionaria.

3 Abrigo de Cultivo

De modo geral um abrigo de cultivo e uma casa decultivo composta por uma estrutura de madeira oumetal coberta com plastico translucido, ilustradona Figura 1. Essa casa oferece um micro-clima emque a atmosfera interna se difere da atmosfera ex-terna e tambem oferecem alguns dispositivos comoventiladores, telas de sombreamento (sombrite) easpersores de agua para modificar a atmosfera emseu interior.

Figura 1: Imagem de um Abrigo de CultivoFonte: Portal Agrisak

O cultivo protegido oferece algumas vanta-gens em relacao ao cultivo tradicional a ceu abertocomo a protecao das intemperies climaticas, pro-ducao entre safras e melhor organizacao da dispo-sicao das mudas, porem, exige um cuidado muitomaior no processo de producao sendo que o pro-dutor deve ficar atento e em constante observa-cao nas condicoes do ambiente que precisa es-tar de acordo com as necessidades fisiologicas daplanta para o perfeito desenvolvimento da cultura(de Abreu and Bastos, 2015).

4 Sistema para Controle de Abrigo deCultivos com Utilizacao de Energia

Solar Fotovoltaica

O controle de abrigo de cultivo e realizado como monitoramento contınuo das variaveis do ambi-ente e, a partir delas tomar decisoes que interfe-rem no mesmo provocando as mudancas necessa-rias para manter o estado desejavel as necessida-des fisiologicas do cultivo presente.

A grande maioria dos agricultores que produ-zem em ambiente protegido realizam o manejo doabrigo de forma manual ou semi-automatica, de-mandando muita dedicacao as atividades de cul-tivo e falhas operacionais podem ocasionar danosirreversıveis na producao trazendo prejuızos finan-ceiros.

Com o objetivo de aliviar a responsabilidadeoperacional do produtor foi desenvolvido um sis-tema para controle que realiza rotinas de formaautomatica que tambem utiliza energia solar fo-tovoltaica como pratica sustentavel. A Figura 2ilustra a visao geral da arquitetura do sistema.

Figura 2: Visao Geral da Arquitetura do Sistema

Para a realizacao deste trabalho foi cons-truıdo um mini abrigo de cultivo, para simularum abrigo, ja que nao foi possıvel trabalhar emum ambiente real. O mini abrigo e composto porum ventilador, um sombrite (ambos utilizam mo-tores de corrente contınua de 12 V), um Contro-lador Central (Gateway), um Modulo Comutadorde Energia e um Sensor Sem Fio, que serao des-critos em seguida. A Figura 3 apresenta o miniabrigo construıdo.

O Controlador Central foi desenvolvido combase em uma placa do tipo Raspberry Pi Model 1que e um pequeno computador que utiliza um pro-cessador Broadcom c©BCM2835, possui uma inter-face GPIO de 26 pinos (Pi, 2016) e nela foram aco-plados um transceptor NRF24L01+ para recepcaodos dados enviados por um ou mais sensores semfio e um driver para controle dos atuadores con-forme ilustra a Figura 4.

Foi instalado no Raspberry Pi o sistema ope-racional Arch Linux ARM, que e uma distribuicaoLinux desenvolvida para executar em processado-res com arquitetura ARM (Lead, 2017), esse sis-tema operacional executa uma aplicacao escrita na



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Figura 3: Imagem do Mini Abrigo

Figura 4: Imagem do Controlador Central

linguagem Python com a utilizacao do FrameworkDjango que e responsavel por realizar todo o con-trole do abrigo de cultivo, tratando a recepcao dasvariaveis do ambiente e a partir dos parametrosestabelecidos fazer a interacao com o sombrite ecom o ventilador atraves de sinais de controle. Osistema fornece uma interface web para acompa-nhar o estado atual das condicoes do abrigo, re-alizar configuracoes de parametros para tomadade decisao e realizar consultas como historico deleituras entre um intervalo de datas. A Figura 5ilustra a pagina principal da interface grafica.

Figura 5: Interface Principal do Sistema

O Controlador Central tambem e responsavelpor enviar dados ao ThingSpeakTM, uma plata-forma de Internet de Coisas (IoT) que permitecoletar e armazenar dados de sensores na nuveme desenvolver aplicacoes IoT e que tambem for-nece recursos que permitem analisar e visualizarinformacoes atraves de geracao de graficos e atuarsobre os mesmos (ThingSpeak, 2017).

Para fazer a alimentacao de todo o sistema, foidesenvolvido um Modulo Comutador de Energiaque realiza a comutacao entre 3 fontes de energiaprioritariamente na seguinte ordem: solar fotovol-taica, a da rede publica fornecida pela concessi-onaria e de uma bateria estacionaria de chumbo-acida selada de 12 V 7 Ah. Este modulo e com-posto por um painel fotovoltaico que produz umapotencia maxima de 20 W com tensao de 20 Ve corrente nominal de 1,10 A em condicoes ide-ais de insolacao; uma fonte de alimentacao CA-CC com entrada de 220 VCA da concessionariae saıda de 15 VCC; e dois reguladores de tensaoLM2596 DC-DC tipo buck ajustaveis. O regula-dor de tensao LM2596 tem uma otima eficiencia,suporta uma corrente maxima de 3 A e a tensao desaıda pode ser ajustada entre 1,5 a 35 VCC e suaentrada pode ser entre 3,2 a 40 VCC. O modulotambem conta com um circuito divisor de tensao eum sensor de corrente para a aquisicao da tensao ecorrente geradas pelo painel fotovoltaico feitas porum Arduino Uno que realiza o envio dessas infor-macoes para o Controlador Central bem como acomutacao entre as fontes de energia. A Figura 6exemplifica a arquitetura do Modulo Comutadorde Energia.

Figura 6: Arquitetura do Modulo Comutador deEnergia

Durante a insolacao o sistema e mantido coma energia fornecida pelo painel fotovoltaico, nosperıodos noturnos ou de baixa insolacao, quandoa geracao fotovoltaica fica abaixo de 5 W necessa-rios para a alimentacao a mesma passa a ser forne-cida pela concessionaria atraves da fonte CA-CC,e na falta das duas energias o sistema opera comenergia da bateria. Quando nao requerida a bate-ria fica em estado de flutuacao no qual a tensao emantida entre 12,9 a 13,8 V. O metodo de flutua-cao e o que mais preserva a vida util de uma bate-ria e sua duracao fica em torno de 5 a 7 anos, ja no



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modo cıclico a vida util da bateria fica entre 200a 250 ciclos (6 a 8 meses) com uma profundidadede descarga diaria de 100% (Unicoba, 2003). Ba-terias estacionarias sao recomendadas para o usoem no-breaks, fontes alternativas de energia, etc.,pois suportam um longo perıodo de carga e des-carga (Peixoto, 2012). Neste caso para a aplicacaode uma operacao cıclica seria necessario um bancode baterias para garantir a autonomia do sistemadurante os perıodos sem geracao fotovoltaica.

Para a captura das condicoes do abrigo foi de-senvolvido um Sensor Sem Fio composto por ummicrocontrolador ATmega328p, que possui arqui-tetura de 8 bits com 32KB memoria programa-vel (Atmel, 2016); um sensor LDR (Light Depen-dent Resistor), para fazer a aquisicao da lumino-sidade; um sensor digital de temperatura e umi-dade DHT11, que permite medir temperaturas de0 a 50oC e nıveis de 20 a 90% da umidade re-lativa do ar, sendo este sensor de grande confi-abilidade por apresentar uma precisao de 5% e2oC, porem nao realiza leituras com pontos flutu-antes (D-Robotics, 2010) e um radio transceptorNRF24L01+. O Sensor Sem Fio e alimentado poruma bateria de 3,7V e executa um software escritoem C que realiza o envio das informacoes a cada3 minutos para o Controlador Central atraves dacomunicacao entre os transceptores NRF24L01+do Sensor Sem Fio e do Controlador Central. AFigura 7 ilustra o Sensor Sem Fio desenvolvido.

Figura 7: Imagem do Sensor Sem Fio

5 Testes e Avaliacao do Sistema

Para execucao de testes, foram realizados algunstestes com a utilizacao de um soprador termicopara elevar a temperatura e reduzir a umidade,modificacao da luz ambiente para alterar as leitu-ras de luminosidade com o proposito de analisar ocomportamento do sistema de controle. A Tabela1 apresenta algumas amostras de resultados ob-tidos pelos testes e o grafico mostrado na Figura8 apresenta uma amostra do comportamento deatuacao da ventilacao em relacao a temperaturado ambiente em um determinado perıodo.

Tabela 1: Tabela de Amostras de Testes Realiza-dos no Mini Abrigo de CultivoT (Co) U (%) L (Lux) Somb Vent

24 56 146 A OFF30 55 146 A ON19 63 109 A OFF32 41 553 F ON29 43 2961 F ON27 43 4216 F OFF

Figura 8: Variacao da Temperatura e o Aciona-mento da Ventilacao

Fonte: ThingSpeakTM

A linha vermelha na Figura 8 representa o va-lor da temperatura e a linha azul quando em 0 noeixo Y indica que o ventilador esta desligado equando for maior que 0 indica que o mesmo foiligado quando o ambiente atingiu a temperaturaconfigurada para o acionamento, nesse caso em25oC. O mesmo ocorre para o desligamento, nessaconfiguracao aos 24oC.

O Modulo Comutador de Energia manteve osistema em funcionamento durante todo o perıodode testes, essa a initerrupcao do sistema foi com-provada com a emissao de relatorios diarios de co-leta de dados pela propria interface e tambem coma verificacao dos dados gravados na plataformaThingSpeakTM.

A Figura 9 ilustra um grafico gerado peloThingSpeakTM de uma amostra de tensoes da ba-teria do painel fotovoltaico e da fonte CA-CC du-rante os dias 19/07/2017 a 21/07/2017 no qualdemonstra que o Modulo Comutador de Energiafuncionou conforme o esperado e manteve a tensaoda bateria entre os intervalos de carga em flutua-cao operando via energia solar nos perıodos cominsolacao e via fonte CA-CC quando a geracao fo-tovoltaica ja nao atende mais a demanda de 5 W.

Tambem foi realizado um teste para verificaro tempo que o sistema mantem-se operando ape-nas com a carga da bateria, com o corte da energiafotovoltaica e da distribuidora simulando assim afalta das mesmas. O tempo de autonomia, ate osistema parar de operar por falta de carga foi de



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Figura 9: Tensoes da Bateria e Painel FotovoltaicoFonte: ThingSpeakTM

aproximadamente 25 minutos, um tempo bastantecurto, porem a bateria utilizada nao possui maisas caracterısticas de uma bateria nova por ja terum certo tempo de utilizacao, sendo ideal repetiresse teste com uma bateria nova para uma me-lhor precisao. A Figura 10 apresenta o resultadoobservado.

Figura 10: Tempo de Autonomia da BateriaFonte: ThingSpeakTM

6 Conclusao

O sistema desenvolvido funcionou conforme ascondicoes estabelecidas em sua configuracao, cum-prindo com o proposito de integrar o controle deum abrigo de cultivo com a utilizacao de energiasolar fotovoltaica quando a mesma esta disponı-vel a fim de contribuir com a sustentabilidade. OModulo Comutador de Energia tambem funcionoude maneira satisfatoria e sua arquitetura pode serutilizada em qualquer aplicacao que utilize cor-rente continua bastando apenas ajustes dimensi-onais relacionados a potencia necessaria. Ja parauma aplicacao deste sistema em um abrigo de cul-tivo real seria necessario dimensionar os paineissolares e baterias proporcionalmente ao tamanhodo abrigo e da quantidade de atuadores, que geral-mente funcionam com corrente alternada de 110

ou 220 VCA implicando na inclusao de inversoresde tensao e frequencia na arquitetura apresentada.

Agradecimentos

Agradecemos ao Laboratorio de Automacao e Ro-botica Movel da Universidade Federal de SantaCatarina e a CAPES pelas bolsas de estudos.

Referencias

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de Abreu, C. S. P. and Bastos, T. J. (2015). Au-tomacao de abrigos de cultivo para culturashidroponicas.

Junior, A. B. (2011). Manejo de ambientes prote-gidos: Estufas e casas de vegetacao, Casa daAgricultura .

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Litjens, O. J. et al. (2009). Automacao de estufasagrıcolas utilizando sensoriamento remoto eo protocolo zigbee.

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Unicoba, D. T. (2003). Manual Tecnico UNI-

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