Automação de Abrigos Hidropônicos

A justificativa para a automação de estufas para cultivos hidropônicos reside na ineficiência da produção agrícola convencional. O texto destaca que a grande parte do cultivo no Brasil é realizada a céu aberto, deixando as culturas vulneráveis às intempéries climáticas. Fatores como geada, frio, granizo, calor excessivo e a qualidade do solo podem causar prejuízos econômicos significativos, comprometendo a produtividade e levando à perda de safras. Como alternativa, o cultivo protegido, em estufas ou abrigos, oferece vantagens como melhor desenvolvimento das plantas, aumento da produtividade, colheita em períodos de entressafra e redução da incidência de pragas e doenças. A hidroponia, em particular, apresenta-se como uma alternativa menos trabalhosa e mais produtiva que o cultivo tradicional, com maior produtividade, proteção contra doenças e pragas e economia de água, chegando a 70% em comparação com a agricultura tradicional. O manejo manual ou semi-automático, com instrumentos como termo-higrômetros, sistemas de sombreamento e ventilação, é ineficiente e demanda tempo e dedicação, podendo levar a erros e comprometer o desenvolvimento das culturas.

O cultivo hidropônico, por ser realizado sem solo e depender de uma solução nutritiva, necessita de ambientes protegidos para evitar a contaminação por chuva ou outros fatores externos. Apesar das vantagens, o cultivo em abrigos exige maior experiência do produtor no manejo dos instrumentos de controle ambiental, incluindo janelas, ventiladores, exaustores, cobertura de sombreamento e irrigação. O controle manual desses fatores é trabalhoso e sujeito a falhas, o que pode impactar negativamente o crescimento das plantas e resultar em perdas financeiras. A automação agrícola surge como solução para este problema, oferecendo um controle mais preciso das condições climáticas (controle de clima) dentro do abrigo. A capacidade de monitorar e regular fatores como temperatura, umidade e luminosidade, com sensores e atuadores, assegura um ambiente ideal para o desenvolvimento das plantas, maximizando a produtividade e reduzindo os riscos associados ao manejo manual. A popularização da hidroponia no Brasil reforça a necessidade de tecnologias que melhorem a eficiência e a rentabilidade desse sistema de cultivo, justificando o desenvolvimento de um sistema de automação de abrigos de cultivos.

O objetivo principal deste trabalho é automatizar o processo de manejo de ambientes protegidos para hidroponia, fornecendo um controle mais preciso das condições climáticas. O sistema desenvolvido visa evitar erros e desperdícios no manejo tradicional, simplificando o dia a dia do produtor rural que utiliza abrigos de cultivo na sua produção agrícola hidropônica. A automação inclui o desenvolvimento de um sistema de sensoriamento para o controle de temperatura, umidade e luminosidade, utilizando uma placa Arduino para o interfaceamento entre sensores, atuadores e o usuário. O sistema também oferece uma interface gráfica, desenvolvida em C#, para o monitoramento e controle do ambiente. A pesquisa busca fornecer uma solução tecnológica que melhore a eficiência, a produtividade e a rentabilidade da hidroponia, contribuindo para o desenvolvimento da agricultura de precisão neste setor. A escolha do Arduino se justifica pela sua facilidade de uso e acessibilidade, permitindo a implementação de um sistema de automação agrícola custo-efetivo para produtores de diversas escalas. A tecnologia permite um melhor controle de clima dentro do cultivo protegido, otimizando os recursos e garantindo melhores resultados.

O documento descreve diversos sistemas hidropônicos, classificados em sistemas passivos e ativos. Sistemas passivos, como o sistema de pavio, utilizam a capilaridade para conduzir a solução nutritiva às raízes das plantas, mantendo a solução nutritiva estática. Já os sistemas ativos necessitam de uma bomba para circular a solução nutritiva, muitas vezes com um sistema auxiliar de aeração. Exemplos de sistemas ativos incluem o Sistema DFT (Deep Film Technique), também conhecido como floating, onde as raízes ficam submersas em uma lâmina profunda de solução nutritiva que circula em uma mesa plana; o Sistema NFT (Nutrient Film Technique), onde a solução nutritiva é bombeada em canais e escoa por gravidade, irrigando as raízes; e o sistema de gotejamento, o mais utilizado mundialmente, que utiliza gotejadores para liberar a solução nutritiva diretamente no colo de cada planta. Este último apresenta variações como o sistema a solução perdida e o sistema com recuperação da solução. A escolha do sistema impacta diretamente nas necessidades de controle ambiental e na complexidade do manejo, influenciando na eficiência da produção hidropônica. A menção a Içara, em Santa Catarina, como local onde foram observadas imagens de um sistema NFT, sugere a relevância regional da tecnologia.

A eficácia dos sistemas hidropônicos depende da adequada formulação e manejo das soluções nutritivas, fornecendo os nutrientes essenciais para o desenvolvimento das plantas. Entretanto, a necessidade nutricional varia conforme a espécie e as condições de cultivo. A extração e acúmulo de nutrientes dependem de fatores como a espécie vegetal, a fase de desenvolvimento, a temperatura, a umidade e a concentração de nutrientes na solução. A falta de conhecimento sobre esses aspectos nutricionais é uma das causas do insucesso de muitos cultivos hidropônicos. Além disso, o tipo de sistema hidropônico utilizado também influencia na eficiência e requerimentos específicos de manejo. A produção hidropônica, portanto, requer um conhecimento preciso da fisiologia da planta e das características de cada sistema de cultivo, garantindo assim a eficiência da hidroponia e a maximização do seu potencial produtivo. O sucesso do cultivo depende de um controle ambiental eficiente, permitindo a otimização do fornecimento de nutrientes e a prevenção de problemas.

A maioria dos cultivos hidropônicos é realizada em abrigos de cultivo, estruturas que criam um microclima com condições diferentes do ambiente externo. Esses abrigos, geralmente construídos com estruturas metálicas ou de madeira cobertas por plástico translúcido, podem incluir equipamentos de ventilação e sombreamento. Modelos como os de arco e arco conjugado são destacados por sua resistência ao vento e bom aproveitamento da radiação solar. Dentro do abrigo, o controle de fatores como temperatura, umidade e luminosidade é crucial para o sucesso do cultivo. A eficiência desses abrigos como ambientes de cultivo protegido depende do manejo aplicado, que pode ser otimizado através de sistemas automatizados. A necessidade de um controle ambiental eficiente dentro destes abrigos justifica a pesquisa e desenvolvimento de sistemas de automação de estufas para garantir as condições ótimas para o crescimento e produção das plantas. A EPAGRI-SC é mencionada no contexto do desenvolvimento de sistemas automatizados para o controle de pragas, indicando que o controle de clima integrado é uma área de pesquisa ativa no setor.

O sistema de automação de abrigos de cultivos desenvolvido utiliza um módulo de sensoriamento para coletar dados ambientais. Este módulo é composto por cinco elementos principais: um sensor de luminosidade do tipo LDR (Light Dependent Resistor), que mede a luminosidade em lux; um sensor digital de temperatura e umidade do tipo DHT11, com precisão de ±5% para umidade e ±2°C para temperatura; um transceptor de rádio NRF24L01 de 2.4GHz, para comunicação sem fio com o módulo de controle central; uma placa Arduino UNO, responsável pelo interfaceamento dos sensores com o microcontrolador; e uma bateria Li-po (Lithium-ion Polymer) para alimentação do circuito. A escolha destes componentes levou em consideração fatores como custo, confiabilidade e facilidade de integração com o sistema de automação agrícola proposto. O sensor DHT11, apesar de não fornecer medidas fracionadas, foi considerado confiável para a aplicação. O rádio NRF24L01 possibilita a comunicação com até 6 rádios simultaneamente, garantindo uma comunicação robusta entre os módulos de sensoriamento e o módulo de controle central. A utilização do Arduino como plataforma de desenvolvimento facilita a programação e implementação do sistema, tornando-o acessível e de baixo custo.

O módulo de controle central do sistema de automação de estufas também utiliza uma placa Arduino UNO, atuando como interface entre o módulo de sensoriamento, os atuadores e o software de interface com o usuário. A comunicação com o módulo de sensoriamento se dá através do rádio, recebendo os dados coletados pelos sensores. O módulo central envia esses dados para a interface do usuário e recebe comandos para ativar os atuadores, como o controle de sombreamento, ventilação e exaustão. A interface com o usuário é realizada via USB, com um software desenvolvido em C# que proporciona uma interface gráfica intuitiva. Além dos componentes básicos, o módulo central inclui um driver de corrente para motores, para controlar a abertura e fechamento da cobertura de sombreamento, um sensor ultrassônico para controle de posicionamento da cobertura e uma chave eletrônica com relé para acionamento da ventilação. Um painel de controle permite configurar parâmetros como o intervalo de persistência de dados no banco de dados, acionar manualmente a ventilação ou o sombreamento (sombrite) e definir manualmente a temperatura máxima. Esta arquitetura permite um controle de clima preciso e adaptável às necessidades específicas de cada cultivo.

Para validar o sistema de automação, foram realizados testes em duas etapas. Inicialmente, testes de estresse focaram na capacidade de aquisição de dados via rádio, avaliando a viabilidade dos componentes utilizados. Em uma segunda etapa, um mini-abrigo de cultivo foi construído para simular condições reais. Este mini-abrigo, com estrutura metálica revestida com plástico translúcido, permitiu testar a robustez e a capacidade operacional dos módulos do sistema sob condições controladas. Como atuadores, foram utilizados inicialmente um cooler (representando a ventilação) e uma lâmpada (representando um atuador qualquer, posteriormente substituído pelo sombrite). Testes de acionamento foram realizados forçando alterações nas condições climáticas, utilizando um soprador térmico para elevar a temperatura e reduzir a umidade relativa do ar. A análise dos dados coletados, incluindo a consulta do histórico no software de gerenciamento, confirmou a capacidade do sistema em medir variações de temperatura, umidade e luminosidade por longos períodos, mesmo em ambientes desprotegidos. A construção do mini-abrigo demonstra o esforço em simular um ambiente real, permitindo uma avaliação mais precisa do funcionamento do sistema de automação de abrigos de cultivos em condições próximas às de campo.

A validação do sistema de automação de estufas envolveu testes de estresse para avaliar a capacidade de aquisição de dados via rádio. O objetivo era verificar a viabilidade do uso dos componentes do sistema de automação agrícola em condições desafiadoras. Esses testes permitiram analisar a robustez dos sensores e a confiabilidade da comunicação sem fio entre o módulo de sensoriamento e o módulo de controle central, ambos baseados em Arduino. A capacidade do sistema em medir variações de temperatura, umidade e luminosidade em longos períodos foi avaliada, garantindo a precisão e a confiabilidade do sistema em situações reais de cultivo protegido. A recuperação da informação persistida em banco de dados, através da função 'Histórico' do software de gerenciamento, também foi testada, comprovando a capacidade do sistema em registrar dados ao longo do tempo. A persistência dos dados a cada 10 minutos, como demonstrado no exemplo do amanhecer do dia 14/05/2015, evidencia a capacidade de monitoramento contínuo e preciso do sistema.

Testes de acionamento dos atuadores foram conduzidos para avaliar o funcionamento do sistema de controle de clima. Inicialmente, um cooler simulou a ventilação, e uma lâmpada representou um atuador genérico, sendo posteriormente substituída pelo sistema de sombreamento (sombrite). Para simular variações nas condições ambientais, um soprador térmico foi usado próximo ao sensor DHT11, elevando a temperatura e, consequentemente, reduzindo a umidade relativa do ar. A resposta do sistema à variação de temperatura e umidade foi monitorada para verificar a precisão e a velocidade de resposta do sistema de automação. Esses testes foram essenciais para validar o funcionamento dos atuadores e garantir a capacidade do sistema em controlar efetivamente o microclima dentro do abrigo de cultivo, respondendo adequadamente às mudanças nas condições ambientais. A eficiência do sistema em manter o cultivo protegido em condições ideais foi avaliada através da análise dos dados coletados durante os testes.

Para simular uma situação real de cultivo hidropônico, foi construído um mini-abrigo em escala reduzida. Este abrigo, com estrutura metálica revestida com plástico translúcido, continha os atuadores de ventilação e sombreamento (sombrite) integrados ao sistema de automação. A construção do mini-abrigo permitiu a realização de testes em um ambiente controlado, simulando as condições reais de um abrigo de cultivo. As condições climáticas foram alteradas diversas vezes durante os testes para analisar o comportamento do sistema em diferentes cenários. A avaliação abrangeu a robustez do sistema, a sua capacidade de operação em um ambiente real e a precisão do controle de clima. Os resultados obtidos neste ambiente simulado demonstraram a eficácia do sistema em monitorar e controlar o ambiente, garantindo as condições ideais para o desenvolvimento das plantas, validando a proposta de automação de abrigos de cultivos para hidroponia.

As considerações finais do trabalho reforçam a eficiência do sistema eletrônico desenvolvido para automação de abrigos de cultivos voltados para hidroponia. Os testes experimentais comprovaram a capacidade do sistema em monitorar e registrar constantemente as condições climáticas no interior do abrigo, gerando gráficos e permitindo a visualização do histórico das leituras dos sensores. O sistema opera para manter o ambiente nas melhores condições para o cultivo, de acordo com a configuração estabelecida pelo usuário, representando uma alternativa eficiente ao manejo convencional. A utilização de um mini-abrigo para simular condições reais permitiu avaliar o comportamento do sistema em diferentes cenários climáticos, validando sua capacidade de resposta e controle. A capacidade de controle de clima demonstrada pelos testes, incluindo a manutenção de temperatura, umidade e luminosidade ideais, destaca a contribuição do trabalho para a otimização da produção em cultivo protegido.

O trabalho sugere diversas possibilidades para pesquisas futuras na área de automação agrícola. A integração do sistema com outros sistemas, como sistemas de irrigação automatizados, é apontada como uma perspectiva relevante. A incorporação de tecnologias mais avançadas, como robótica na agricultura e o uso de VANTs (veículos aéreos não tripulados) para monitoramento e aplicação de insumos, também são propostas como áreas de desenvolvimento. O texto reconhece os desafios da automação em agricultura, destacando a necessidade de sistemas robustos e acessíveis, considerando a pequena margem de lucro do setor. A busca por soluções tecnológicas inteligentes e sustentáveis, capazes de trabalhar em harmonia com o ambiente natural, é essencial para garantir a competitividade econômica e a produção de alimentos de alta qualidade. A automação deve ser vista como uma ferramenta auxiliar, integrada ao sistema de manejo, e não como uma solução isolada e imediatista. A menção a trabalhos realizados nos Estados Unidos com robôs autônomos em sistemas NFT evidencia a existência de pesquisas similares em outros países, indicando a relevância global da temática da automação em hidroponia e cultivo protegido.