Modelagem Computacional Sistemas de Irrigação Inteligente

BRASIL & BAHIA (2013)

Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovao, 2013 1

MODELAGEM COMPUTACIONAL PARA SISTEMA DE IRRIGAO INTELIGENTE

Anderson Nascimento de Jesus, Patrcia Ferreira Braga,, Mrcio Ren Brando Soussa

,

Centro Universitrio Jorge Amado - UNIJORGE, Salvador - Ba, E-mail: [email protected]; Programa de Modelagem Computacional - SENAI-CIMATEC, Salvador - Ba, E-mails: {patyfb04, marciosoussa10}@gmail.com

Artigo submetido em junho/2013 e aceito em agosto/2013

RESUMO

O presente artigo aborda conceitos essenciais

sobre sistemas de irrigao, manejo e tecnologia de automao, objetivando o desenvolvimento de uma soluo computacional inteligente e de baixo custo capaz de gerir e controlar o volume de gua aplicado no processo de irrigao de forma autmota, tendo como base, o monitoramento constante e ininterrupto das variveis ambientais que atuam diretamente no processo de evapotranspirao, proporcionando assim, no s uma poltica de desenvolvimento sustentvel na

regio com a preservao desse recurso hdrico no que tange seu uso consciente e racional, mas tambm no melhor aproveitamento do tempo desprendido pelo homem nos trabalhos inerentes a esta atividade to importante para a economia do pas.

PALAVRAS-CHAVE: irrigao, modelagem, automao, evapotranspirao, tecnologia.

COMPUTER MODELING FOR IRRIGATION SYSTEMS INTELLIGENT

ABSTRACT

This paper addresses essential notions about irrigation systems, handling and automation technology, aiming development of the intelligent computational solution and low cost, able to manage and control the volume of water applied in irrigation process autonomously, based on constant and continuous monitoring of environmental

variables operating directly in the process of evapotranspiration, providing thus, not only a sustainable development's policy in the region with the preservation this water resource regarding its use conscious and rational, but also at best use time spent by the man in the work involved this activity so important to the Brazil's economy.

KEY-WORDS: irrigation, modeling, automation, evapotranspiration, technology.

ANDERSON NASCIMENTO DE JESUS, PATRCIA FERREIRA BRAGA, MRCIO REN BRANDO SOUSSA (2013)


MODELAGEM COMPUTACIONAL PARA SISTEMAS DE IRRIGAO INTELIGENTE

INTRODUO

O Brasil, apesar de viver uma situao confortvel do ponto de vista das reservas hdricas, possuindo aproximadamente 12% de toda a gua doce existente na Terra e a maior reserva de gua subterrnea (o aqfero Guarani) localizado no estado de So Paulo, vive um momento de preocupao, uma vez que sua distribuio hdrica em relao s suas regies e concentraes populacionais completamente desigual. Um estudo realizado pela Secretria do Meio Ambiente do Estado de So Paulo (SMA/CEA), em 2008 e identificado por SUASSUMA (2004), mostra que a regio Norte possui apenas 8% da populao brasileira e aproximadamente 68,5% da gua doce existente no pas, enquanto que a regio Sudeste possui 42% da populao e apenas 6% da gua doce disponvel, situao que se agrava na regio Nordeste, marcada por grandes estiagens, possuindo 28% da populao e apenas 3% da gua doce disponvel.

Adicionalmente a este problema, Reichardt e Timm (2008), afirmam que 65% da gua disponvel para consumo utilizada em atividades agrcolas e que dentro dessa margem 70% consumida pela prtica de irrigao e os outros 35% restante esto assim distribudos: 22% pela indstria, 7% pela populao das cidades e 6% desperdiada de alguma forma. Estes dados comprovam no s a grande importncia da gua para o agronegcio como a necessidade de prticas que tornem seu uso controlado e racional.

Tratando-se de irrigao, cuja atividade responsvel em fornecer um elemento imprescindvel para o desenvolvimento pleno do cultivo, especialmente em pocas pouco chuvosas, existem muitas variveis, fsicas ou ambientais, que devem ser analisadas e controladas para que se possa realizar o manejo adequado para o cultivo. Entretanto, o manejo, que pode ser entendido como a definio do momento e da quantidade certa de gua a ser aplicada sobre o cultivo, no uma tarefa to simples quanto se imagina, uma vez que as variveis ambientais que interferem nesta atividade nem sempre esto disponveis para seu uso.

Mesmo com todo avano tecnolgico existente, traduzido pelo aumento da capacidade de processamento dos computadores, pela evoluo da eletrnica e a reduo dos custos na aquisio dos mesmos, o manejo, por muitas vezes, ocorre com a interveno direta e manual do homem na aplicao de gua sobre o cultivo, seja em pequenas e mdias propriedades rurais, ou em praas ou jardins residenciais, situao que contruibui fortemente no s para o desperdcio de gua, mas para a baixa qualidade do cultivo irrigado. Apesar da irrigao moderna est bastante avanada possuindo variados tipos de automao disponvel no mercado, o acesso a essas tecnologias nem sempre est totalmente disponvel ao consumidor ou agricultor de pequeno e mdio porte, seja por problemas financeiros ou por falta de conhecimento de sua existncia.

Nesse sentido o presente trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento de uma soluo computacional de baixo custo para o controle de sistema de irrigao baseado no sensoriamento ambiental.



MATERIAIS E MTODOS

CONSIDERAES GERAIS SOBRE SISTEMA DE IRRIGAO

Sistema de irrigao um conjunto de tcnicas da Engenharia Agrcola que visa distribuir

gua s plantas cultivadas em quantidades adequadas para promover um desenvolvimento vegetal adequado, com um mnimo de consumo de gua (MELLO & SILVA, 2007).

De acordo com Andrade (2001) existem quatro mtodos de irrigao pela qual a gua pode ser aplicada s culturas, sendo eles:

superfcie: neste mtodo a distribuio da gua se d por gravidade atravs da superfcie do solo;

asperso: neste mtodo a distribuio da gua sobre a cultura se d por forma de chuva, devido ao fracionamento da lmina de gua quando aplicados no ar pelo aspersor;

localizada: neste mtodo a gua aplicada diretamente sobre a regio radicular, com pequena intensidade e em alta frequncia, empregando-se emissores pontuais (gotejadores), lineares (tubo poroso) ou superficiais;

subirrigao: o mtodo na qual as linhas laterais de gotejadores ou tubos porosos so enterradas de forma a permitir a aplicao superficial da gua.

Adicionalmente, Drumond e Aguiar (2005) afirmam que no existe um mtodo de irrigao melhor do que outro quanto produo de determinada cultura, entretanto existem mtodos que melhor se adaptam as condies locais do solo, topografia e de manejo da cultura a ser irrigada. Para facilitar a deciso de escolha do mtodo a ser utilizado, faz-se necessrio o conhecimento das partes que o constituem, sendo elas definidas em trs etapas, conforme mencionado por Mendona e Rassini (2005):

( I ) Levantamento de dados bsicos: vazo disponvel e fonte de gua, velocidade de infiltrao e armazenamento de gua no solo e por fim a evapotranspirao mxima da(s) cultura(s) a ser(em) plantadas.

( II ) Estimativa da demanda e da periodicidade de aplicao de gua (lmina dgua e turno de rega).

( III ) Dimensionamento hidrulico para atender a demanda e a periodicidade estimadas na primeira etapa.

CONSIDERAES GERAIS SOBRE MANEJO DE IRRIGAO

De acordo com Pires et al (2001) e Andrade (2001), o manejo da irrigao consiste em determinar o momento, a quantidade e o modo de como aplicar a gua na cultura, levando em considerao diversos fatores, entre eles: a necessidade hdrica da cultura, que neste trabalho tem um papel de destaque, a quantidade e distribuio de chuva na regio, a qualidade e disponibilidade de gua da fonte, a adubao, as informaes climatolgicas e econmicas e por fim as estratgias de conduo da cultura.



Para estimar a necessidade hdrica de um cultivo o conhecimento sobre sua evapotranspirao de fundamental importncia, uma vez que este termo representa o processo pela qual a gua transferida da superfcie terrestre para a atmosfera, envolvendo simultaneamente a evaporao da gua contida na superfcie do solo e a transpirada pelas plantas. De acordo com Mello e Silva (2007), os fatores que interveem na evapotranspirao se relacionam com a cultura a ser plantada e com os fatores climticos do ambiente. Em relao cultura temos: a fase de desenvolvimento do cultivo, o ndice de rea foliar, arquitetura foliar e a resistncia do dossel. J em relao aos fatores climticos temos: a temperatura do ar, a radiao solar, a velocidade do vento, a chuva e presso de vapor como as principais variveis ambientais a serem analisadas e monitoradas.

O Manual 24 da FAO (Food and Agriculture Organization) fornece sugestes da aplicao de mtodos empricos que determinam a evapotranspirao de referncia (ETo), para diferentes condies climticas. So eles: Blaney-Criddle, Radiao, Penman-Monteith, Hargreaves-Samani e Tanque de Evaporao. Sendo o mtodo Penman-Monteith o de referncia mundial para a entidade, em relao a qualquer outro mtodo escolhido.

Para realizar estimativas de evapotranspirao da cultura (ETc) o procedimento usual utilizar estimativas da ETo, corrigidas por um coeficiente de cultura (Kc). Esse coeficiente de ajuste varia conforme perodo de desenvolvimento da cultivo e determinado experimentalmente pela equao 1:

Kc = ETc/ETo equao (1)

sendo Kc o coeficiente de cultivo, ETc a evapotranspirao do cultivo e ETo a evapotranspirao de referncia.

Embora o mtodo de Penman-Monteith seja o recomendado pela FAO, este trabalho

utiliza o mtodo emprico proposto em 1985 por Hargreaves e Samani para estimar a

evapotranspirao, considerando duas variveis climticas: radiao solar no topo da atmosfera

e temperatura, conforme descrito na equao 2 (Pereira et al., 1997):

ETo = a Ro (Tmx Tmin) 0,5 (Tmed + 17,8) equao (2)

Em que: ETo = evapotranspirao de referncia, mm dia

-1; a = coeficiente adimensional, cujo valor proposto 0,0023; Ro = radiao solar, mm dia

-1; Tmx = temperatura mxima do ar, C; Tmin = temperatura mnima do ar, C. Tmed= temperatura mdia do ar, C.

A mensurao da radiao solar normalmente feita atravs de piranmetros,

aparelhos que tem como princpio de funcionamento fornecer uma corrente eltrica proporcional radiao solar recebida do hemisfrio, centrado na direo perpendicular ao eixo de montagem do dispositivo sensor. Entretanto devido ao alto custo destes instrumentos, sua utilizao em atividades isoladas como irrigao pode se tornar invivel do ponto de vista econmico.



Embora, altamente recomendando o uso desses instrumentos para uma maior preciso da radiao solar no topo da atmosfera (Ro), este trabalho, adota a equao 3, sugerida por Azevedo et al. (2011):

Ro = [(24*60)/] * Sr * Dr * (H * sen * sen + cos * cos * senH ) equao (3)

Em que: Ro = radiao diria no topo da atmosfera, para a obteno de Ro em mm/dia, dividem-se os valores em MJ/m2.d-1 por 2,45; Sr = constante solar, cujo valor 0,082; Dr = inverso da distncia relativa da Terra ao Sol, calculada pela equao 4: Dr = 1 + 0,033 * cos (0,0172 * j) equao (4);

Em que: H = ngulo horrio do pr ou nascer do sol (radianos), calculado pela equao 5:

Em que:

H = arccos(- tan * tan)] equao (5);

Em que:

= declinao solar, calculada pela equao 6:

= 0,4093 * sen [ (0,0172 * j) - 1,39 ] equao (6);

Em que: J = o dia Juliano (nmero de dias do ano de 1 a 365 ou 366, no caso do ano bissexto);

= latitude do lugar (radianos). No que se refere do intervalo de irrigao a ser adotado pelo sistema de irrigao a EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria) sugere trs maneiras, sendo elas:

( I ) Turno de Rega: normalmente adotado em reas que apresentam baixa precipitao pluvial, onde a maior parte da gua suprida por meio de irrigao.

( II ) Lmina de irrigao fixa: nesse mtodo, a irrigao realizada sempre que a ETc acumulada (ETCa) atinge um valor pr-estabelecido, que vai depender, principalmente, do tipo de solo.

( III ) Tenso da gua no solo: semelhante ao mtodo da lmina de irrigao fixa s que, ao invs de utilizar um valor pr-fixado da ETCa, utiliza-se, como base da irrigao um valor pr-estabelecido da tenso da gua no solo. Esta tenso est diretamente relacionada ao teor de umidade do solo.

Neste trabalho optou-se, por questes tecnolgicas e praticidade, em definir o intervalo

de irrigao atravs da tenso da gua no solo, uma vez que utilizaremos sensor de umidade do solo, previamente calibrado de fbrica que o responsvel em informar a necessidade de gua ao micro controlador.



CONSIDERAES GERAIS SOBRE SISTEMAS AUTOMATIZADOS

A palavra automao est diretamente ligada ao controle automtico, ou seja aes que

no dependem da interveno humana (PINTO, 2005). Apesar deste conceito ser amplamente discutvel pois a mo do homem sempre ser necessria para a construo e implementao dos processos automticos, no o objetivo deste trabalho adotar uma abordagem filosfica ou sociolgica quanto ao conceito.

De modo geral, automao um sistema de equipamentos eletrnicos e/ou mecnicos que controlam seu prprio funcionamento sendo composto por cinco elementos:

( I ) Acionamento: prov o sistema de energia para atingir determinado objetivo. o caso dos motores eltricos, pistes hidrulicos etc.;

( II ) Sensoriamento: mede o desempenho do sistema de automao ou uma propriedade particular de algum de seus componentes.

( III ) Controle: utiliza a informao dos sensores para regular o acionamento. Por exemplo, para manter o nvel de gua num reservatrio, usa-se um controlador de fluxo que abre ou fecha uma vlvula, de acordo com o consumo.

( IV ) Comparador: compara os valores medidos com valores preestabelecidos e toma a deciso de quando atuar no sistema.

( V ) Programas: contm informaes de processo e permitem controlar as interaes entre os diversos componentes.

O processo de automao em diversos setores da atividade humana trouxe uma srie de

benefcios sociedade, dentre elas a reduo dos custos e aumento da produtividade no trabalho. No campo da agronomia e especialmente com a atividade de irrigao no foi diferente, e de acordo com Gornat e Silva (1990), a automatizao de sistema de irrigao traz inmeras vantagens das quais se destacam:

Melhor administrao da propriedade ou projeto agrcola: controle centralizado, tomada de deciso automtica, monitorao ou superviso da operao do sistema, obteno do histrico completo das aplicaes de gua e fertilizantes;

Obteno de maiores produtividades a um menor custo: controle preciso do tempo de aplicao da irrigao, irrigaes sob condies timas, medies precisas das quantidades de gua e fertilizante;

Economia de mo-de-obra: abertura e fechamento automtico de vlvulas e registros, operao automtica de bombas de recalque e de reforo;

Economia de gua, energia e de fertilizante, este quando administrado de forma precisa e balanceada.

MTODO

O desenvolvimento da pesquisa experimental foi realizado em duas etapas: (I) um estudo terico/prtico nas reas de eletrnica e agronomia, focando a necessidade de requisitos para o sistema e o entendimento tcnico; (II) implementao de um sistema computacional.



Para a realizao da primeira etapa foi montada uma micro estao de controle e um sistema de irrigao primitivo para simular o processo de irrigao, ambos gerenciados pelo micro controlador arduino. O sistema computacional desenvolvido em linguagem C para captura dos dados emitidos pelos sensores envolvidos no projeto representado pelo fluxograma apresentado na figura 1.

Figura 1 Fluxo do sistema embarcado.

Os principais processos envolvidos na modelagem so: (I) Calcular radiao no topo da atmosfera, obtida diariamente, pelas equaes matemticas sugeridas por Azevedo de acordo com a latitude geogrfica da estao de controle; (II) Validar sensores onde o arduino verifica se os sensores esto ativos, tal processo extremamente importante, pois necessrio que o monitoramento das variveis ambientais estudadas seja constante e ininterrupto, permitindo assim que o arduino estime com mais preciso o volume de gua necessrio a ser aplicado sobre o cultivo. (III) Definir lmina de gua na qual realizado o clculo da evapotranspirao que posteriormente calibrado pela rea total a ser irrigada e pelo coeficiente de cultivo, apropriado ao estadio de desenvolvimento da planta. (IV) Acionar e Desligar vlvula solenide, o que representa a aplicao ou no da lmina de gua sobre o cultivo.

O processo de leitura da temperatura e umidade do ar realizado seguindo orientaes do INMET (Instituto Nacional de Meteorologia), minuto a minuto, sendo considerada a temperatura instantnea o resultado da mdia obtida em todas as leituras no perodo de uma hora, neste mesmo processo determinado a temperatura e umidade mxima e mnima registrada no perodo, ficando esses valores armazenados em arquivo texto e disponveis em memria flash enquanto o sistema esteja em funcionamento. Uma vez que o manejo de irrigao seja iniciado, atravs do acionamento e desligamento da vlvula solenide, ao seu trmino as variveis utilizadas durante este processo so reiniciadas.



RESULTADOS E DISCUSSO

Os conceitos fundamentais abordados nesse artigo como: sistemas de irrigao, manejo da irrigao, evapotranspirao e sistemas automatizados permitiram a preparao de um ambiente de simulao composto por um sistema primitivo de irrigao e o desenvolvimento de uma soluo computacional capaz de gerenciar uma mini estao de controle, conforme apresentado nas figuras 2 e 3, respectivamente.

Figura 2 Ambiente de simulao. Figura 3 Mini estao de controle.

A mini estao de controle composta por sensores que captam: a temperatura e

umidade do ar, a umidade do solo e o fluxo de gua que lanada no sistema de distribuio, e por atuadores mecnicos/eletrnicos: mdulo de escrita sd card, mdulo de rel, mdulo de lcd, vlvula solenide, e por fim pelo micro controlador arduino uno, o crebro da estao, que juntos com o algoritmo desenvolvido em linguagem C atuam no controle de um sistema de irrigao primitivo, montado especialmente para teste, de forma autmota, em uma rea experimental de 0,28m coberta por grama no seu ltimo estdio de desenvolvimento.

Aps um perodo de teste ininterrupto do sistema no ambiente de simulao, compreendido entre 16/05/2013 a 21/05/2013, pde-se constatar que em referncia as medies da temperatura, o desempenho do sensor, DHT11, mostrou-se satisfatrio quando comparado seus resultados com os resultados da base estao automtica do INMET localizada em Salvador, no bairro de Ondina, no mesmo perodo de teste conforme apresentado na figura 4, favorecendo a confiabilidade dos resultados das operaes que fazem uso dessa varivel.

Figura 4 Grficos comparativos de temperaturas (oC) e umidade (%) registradas.



No que tange o estudo sobre o nvel hdrico apresentado pelo solo analisado no mesmo perodo de teste, observou-se que o seu nvel de umidade manteve-se oscilando entre valores aceitveis pelo sensor, 365 a 468, valores que pela especificao do sensor e pela resistncia do cultivo a solos secos, tornou desnecessrio a prtica de irrigao. Dentre os fatores que interferiram na no necessidade de irrigao neste perodo destaca-se os nveis da umidade relativa do ar registrada no perodo, apresentadas na figura 4, o nvel de umidade previamente existente na placa de grama utilizada, uma vez que vendida compactada com solo arenoso mido e o fato do ambiente de simulao permanecer basicamente sombreado na maior parte do tempo.

Entretanto, no que diz respeito ao manejo de irrigao e baseado no resultado dirio obtido de evapotranspirao, apresentado na figura 5, caso fosse necessrio a prtica de irrigao no experimento o volume de gua estimado a ser aplicado sobre o cultivo seria de 3086,72ml, tendo como base para clculo a evapotranspirao acumulada no perodo no valor de 11,024mm, o coeficiente do cultivo (kc) de 0,80, a totalidade da rea de plantio de 0,28m2 e a converso para mililitros, necessria para o controle de funcionamento da vlvula solenide. Contudo, devido a limites tcnicos quanto a preciso de leitura do sensor de fluxo de gua utilizado, a lmina de gua aplicada sobre o cultivo pode ser superestimada em at 2% do valor real da necessidade de gua.

Data Temperatura (C) Umidade (%)

RO Eto inst max min inst max min

16/05/2013 26 26 25 80 82 78 12,32 2,20

17/05/2013 27 27 26 79 80 77 12,28 2,43

18/05/2013 27 27 26 79 80 77 12,24 2,37

19/05/2013 25 25 24 83 84 81 12,20 2,05

20/05/2013 25 25 24 85 87 83 12,16 2,33

21/05/2013 25 25 24 75 76 74 12,12 2,40

13,78

Etca 11,024

Figura 5 Quadro de resultado do monitoramento dirio.

Ao analisar os resultados obtidos pelo experimento pde-se constatar que o presente trabalho contribui mesmo de forma singular, para o uso sustentvel e racional da gua no processo de irrigao, uma vez que o cultivo s recebe o que realmente for necessrio para satisfazer a perda total de gua para o ambiente. Embora importante para um sistema de irrigao, essa modelagem computacional no contempla os coeficientes de uniformidade para sistemas de irrigao e o ndice de pluviosidade no local, uma vez que a umidade do solo monitorada e determinante para acionar o sistema de irrigao.

Assim, realizar este estudo sobre sistema de irrigao inteligente, leva-nos a entrar em contato com um problema que est ao alcance dos nossos olhos e pouco temos feito para ajudar a resolv-lo. Nesse sentido, importante que se pense em estratgias de como levar a educao ambiental para o povo, visto estarmos contribuindo para formar nas atuais e futuras geraes, uma melhor percepo dos impactos negativos decorrentes do mal uso de recursos hdricos.



REFERNCIAS

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