Vantagens e Desvantagens: Desenvolvimento de um Protótipo para Irrigação do Solo Utilizando Controle em Malha Aberta e Malha Fechada

Leonardo Quarezemin Bagio¹ · Vagner da Silva Rodrigues²

¹ Graduando em Engenharia da Computação (2023). E-mail: leobagio2009@gmail.com ² Professor do Centro Universitário UniSATC. E-mail: vagner.rodrigues@satc.edu.br

Trabalho de Conclusão de Curso — Engenharia da Computação, Centro Universitário UniSATC (2023). Esta é a transcrição integral do artigo; o PDF oficial está disponível no botão Baixar PDF acima.

Resumo

Com o avanço da tecnologia aliada a necessidade de automação nas áreas de irrigação do solo houve a iniciativa de criar um protótipo de irrigação automatizado. O presente artigo possui como objetivo geral apresentar as vantagens e desvantagens de um sistema em malha aberta e fechada e os seguintes objetivos específicos: (I) Avaliar o custo do sistema; (II) Apresentar os dados coletados por meio do protótipo; (III) Contextualizar sobre diferentes tipos de irrigação; (IV) Utilizar uma fonte de energia sustentável. Para o desenvolvimento deste projeto foi realizada a construção de um protótipo com sistemas de malha aberta e fechada com a utilização de componentes de baixo custo, para obtenção de resultados foi desenvolvida uma API responsável pela coleta das informações e envio para o banco de dados. As informações coletadas foram sobre umidade do solo, temperatura, umidade do ar e carga da bateria. Foi possível avaliar que no sistema de malha fechada o sensor HD-38 utilizado na coleta dos dados de umidade do solo possui baixa acurácia, que a construção do protótipo possui baixo custo e consumo de energia mais elevado se comparado ao sistema de malha aberta. Por outro lado, o sistema de malha aberta possui maior desperdício de água pois realiza a irrigação mesmo em dias de chuva.

Palavras-chave: Malha aberta. Malha fechada. Baixo custo. Irrigação de solo.

1 Introdução

A agricultura vem sendo uma base forte para diversos países no que diz respeito a retorno econômico, porém não são todos agricultores que possuem acesso à tecnologia capaz de facilitar seu serviço. Logo, conduzem assim o plantio sem realizar nenhuma análise do solo com objetivo de obter os parâmetros e definir qual plantio se adaptará melhor e obterá o melhor resultado (MEMON et al., 2023).

Desse modo, sem acesso a tecnologias, diversos recursos que são necessários para os seres vivos e para a agricultura, como a água, estão sendo utilizados de forma incorreta, consequentemente, comprometendo seu uso em outras atividades (TEPHILA et al., 2022).

Tendo em vista a importância desse precioso recurso natural, principalmente em regiões onde a fonte é escassa, deve-se realizar o remanejamento consciente para a preservação do mesmo (FLORIN; MIHAI, 2019).

Sendo assim existe a necessidade em alinhar a evolução tecnológica a favor do remanejamento consciente dos recursos naturais. Tais avanços tecnológicos concentrados em áreas como Internet das Coisas (IoT, em inglês Internet of Things) permite o desenvolvimento de protótipos e ferramentas com baixo custo que favorece a preservação de recursos.

Além disso, o IoT fornece diversas automações cujo objetivo é melhorar processos no geral. Por conseguinte, a ideia no desenvolvimento de um sistema de irrigação inteligente atraí diversos pesquisadores na busca de melhorar e evoluir o processo a fim de reduzir esforço humano, consumo de água e energia, tendo assim diversos ganhos ecológicos e autonomia dentro do processo (SINGH; SAIKIA, 2016).

Com base nas informações apresentadas acima, têm-se a seguinte questão problema: Quais são as vantagens e desvantagens da construção de um protótipo de um sistema em malha aberta e fechada?

Este trabalho possui como objetivo geral: Apresentar as vantagens e desvantagens do protótipo em malha aberta e fechada.

Para auxiliar alcançar o objetivo geral, tem-se os seguintes objetivos específicos: (I) Avaliar o custo do sistema; (II) Apresentar os dados coletados por meio do protótipo; (III) Contextualizar sobre diferentes tipos de irrigação; (IV) Utilizar uma fonte de energia sustentável.

Este estudo se justifica pela necessidade de trazer mais informações sobre o custo-benefício da irrigação automatizada e a contribuição positiva sobre a redução de recursos naturais ao cultivo. Além disso, serve como fonte de pesquisa para sociedade e para o meio acadêmico.

2 Fundamentação Teórica

Esta seção apresenta o referencial teórico que serviu de base para a realização do estudo. Nela estão contemplados os seguintes assuntos: Internet das Coisas (IoT), Sistema Inteligente, Irrigação Convencional, Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS).

2.1 Internet das Coisas (IoT)

Pode-se definir a Internet das Coisas como a comunicação entre dispositivos eletrônicos inteligentes por meio da internet, estabelecendo assim uma comunicação entre máquinas com objetivos específicos atribuídos conforme a necessidade. Desta maneira, com a comunicação estabelecida entre diversos dispositivos, muitas possibilidades surgem no mercado, trazendo assim uma onda emergente de projetos que possam beneficiar diversos setores (CHOI, 2014).

Com o mercado emergente, podemos citar, segundo Varshini e Karthikeyan (2019), os seguintes segmentos que foram beneficiados por aplicações diversas utilizando dispositivos de IoT: (I) Transporte; (II) Educação; (III) Gestão de resíduos; (IV) Casa inteligente; (V) Agricultura inteligente. Diante disso, esta pesquisa tem foco na criação de um protótipo para agricultura, dos segmentos citados acima, ela se enquadra na aplicação agricultura inteligente.

Desta forma, conforme Varshini e Karthikeyan (2019) a implementação no setor agrícola ajudou de diversas maneiras o agricultor, como por exemplo: (I) obteve-se um melhor gerenciamento na plantação, tendo como resultado uma melhor qualidade e quantidade; (II) auxiliou no monitoramento do solo e volume da água utilizada evitando o desperdício desse recurso. Salienta-se que tais processos gerenciados por um dispositivo IoT são capazes de transmitir as informações coletadas a fim de armazenar em banco de dados que podem ser utilizadas como base de análises para melhorias futuras no processo.

2.2 Sistema Inteligente

Com o avanço em dispositivos relacionados a IoT, o sistema de irrigação inteligente traz diversos benefícios que agregam e melhoram o processo como um todo. Como parte do sistema em geral, diversos dispositivos são utilizados e interligados onde cada um designa uma função sob controle de um microcontrolador (WANG; KAILI; ZHIYONG, 2021).

Além do mais, com a facilidade em realizar a conexão de dispositivos, vários benefícios podem ser destacados, conforme aponta Wang, Kaili e Zhiyong (2021): (I) Monitoramento abrangente; (II) Transmissão confiável; (III) Armazenamento remoto; (IV) Compartilhamento de informações tais como luz, temperatura e umidade.

Além disso, com o termo "inteligente" na irrigação, todo processo se torna efetivo e eficiente em vários sentidos, principalmente na preservação de recursos naturais e remanejamento de recursos. Nesse sentido, por se tratar de um sistema inteligente, todos os parâmetros do sistema podem ser atualizados manualmente ou programados para que se ajuste automaticamente conforme as condições do solo (SINGH; SAIKIA, 2016).

Salienta-se ainda que tais melhorias ajudam na redução do consumo de recursos naturais, otimizando e automatizando todo processo sem que seja necessária a intervenção humana. Além disso, sua implementação é simples e pode ajudar diversos agricultores, até os que possuem poucos recursos financeiros, fazendo com que todos tenham acesso à tecnologia e melhoria pois o valor dos componentes é de baixo custo (PERNAPATI, 2018).

Com base em conhecimento empírico existem dois tipos de sistemas inteligentes que se destacam no processo de automatização. Eles serão abordados abaixo.

2.2.1 Sistemas Baseados em Temporizadores

O sistema de irrigação com temporizadores é um método semiautomatizado onde se faz necessária a intervenção humana em todo o procedimento, ou seja, deve ser configurado o horário de funcionamento e a quantidade de irrigação a ser realizada no solo (CUNHA, 2019).

De acordo com Medeiros (2018), o sistema de irrigação com temporizadores possui vários pontos negativos, tais como: (I) Desperdício de água; (II) Danos à saúde da planta devido ao excesso de umidade do solo ou ao realizar irrigação em períodos que a água está muito quente; (III) Grandes intervalos sem irrigação.

2.2.2 Sistemas Baseados em Sensores

Sistemas que utilizam sensores de umidade do solo minimizam o desperdício de água uma vez que a tomada de decisão para acionar o sistema de irrigação é com base na leitura que o sensor realiza, visto que o solo já esteja úmido, não é necessária a realização da umidificação, reduzindo consumo de água e esforço humano no processo de irrigação (NAMALA et al., 2016).

De acordo com Florin e Mihai (2019), em um sistema de irrigação inteligente baseado em sensores, normalmente, são utilizados os componentes abaixo: (I) Microcontrolador; (II) Sensores de umidade; (III) Bloco de relés; (IV) Bomba de água.

Por outro lado, para que o sistema tenha o resultado positivo, é necessário que ele tenha a capacidade de analisar o status do solo em tempo real e as necessidades climáticas do cultivo pois ao finalizar este processo o sistema deverá realizar a tomada de decisão para iniciar o processo de irrigação (AHMED; ABDALLA; ELTAHIR, 2018).

2.3 Irrigação Convencional

Como riscos para produção agrícola, a escassez de água pode ocasionar a perda da produção como um todo. Para sanar esse tipo de situação utiliza-se a irrigação artificial para fazer o remanejamento da água afim de umidificar o solo e prover recursos para o desenvolvimento da plantação (COELHO; COSTA; TEIXEIRA, 2004).

Sabendo do fato que a irrigação é algo necessário principalmente em determinadas regiões onde certa espécie de planta não possui situação climática favorável para seu cultivo, necessita-se do uso de irrigação e diferentes tipos de técnicas cuja finalidade é prover água para as plantas. Para utilizar alguma das técnicas de irrigação, primeiramente deve-se estudar alguns pontos da região na qual ela será implantada como tipo de topografia, solo, cultura e clima (CUNHA; ROCHA, 2015).

A seguir será destacado algumas técnicas de irrigação convencional, bem como suas características e seu método de aplicação.

2.3.1 Aspersão e Microaspersão

O sistema de Irrigação por Aspersão simula uma chuva, ou seja, um jato lança água sobre a plantação. Normalmente este método é utilizado por produtores que usam bons níveis de tecnologia em suas plantações, apesar do mesmo ter custos elevados para sua implementação (STONE, [s.d.]).

O sistema, de acordo com Stone ([s.d.]), possui as seguintes vantagens: (I) Se adapta a terrenos irregulares; (II) Possibilita economia de mão de obra; (III) Pode ser utilizado para amenizar temperatura do ar e proteger contra geadas.

Conforme o mesmo autor Stone ([s.d.]), este sistema possui as seguintes desvantagens: (I) Em regiões com ventos fortes e constantes, pode haver pouca uniformidade na distribuição de água; (II) Perda de água por evaporação em lugares com pouca umidade do ar e de temperaturas altas; (III) Causar doenças nas plantas devido à baixa umidade do ar.

Conforme demonstra na Fig. 1, se trata da demonstração do método de irrigação por aspersão.

O sistema de Microaspersão realiza o envio de água em pequenas áreas garantindo o fornecimento do recurso, por isso é considerado melhor em comparação a outros métodos, como por exemplo a técnica de aspersão (MEDEIROS, 2018).

A técnica, assim como o sistema de aspersão tradicional, pode sofrer influência do vento devido à falta de uniformidade na aplicação da água (SENAR, 2019). Conforme demonstra na Fig. 2, se trata da demonstração do método de irrigação por Microaspersão.

2.3.2 Sulco

A técnica de irrigação por sulco utiliza a água canalizada por aberturas na terra, habitualmente feitas pelos arados utilizados no processo de preparação do solo para plantio (MEDEIROS, 2018).

Este método costuma ser mais utilizado na Região Nordeste do país em plantações de bananeiras, onde os sulcos a serem criados por fileiras dependem do tipo de solo. Como por exemplo: para solos argilosos poderá ser feito apenas um sulco por fileira, já em solos areno-argilosos são aconselhados dois sulcos por fileira (COELHO; COSTA; TEIXEIRA, 2004). Na Fig. 3 está sendo representada a Irrigação por Sulco.

2.3.3 Subirrigação

A técnica de Subirrigação consiste na criação de um lençol freático sobre a plantação onde por meio da ascensão capilar, a água chega as raízes (MEDEIROS, 2018).

Conforme Silveira e Stone ([s.d.]), as principais vantagens desse método são: (I) Redução dos custos com mão de obra; (II) Redução dos gastos de água e energia no processo; (III) Aptidão de regar terras reduzindo a retenção de água.

De acordo com o mesmo autor Silveira e Stone ([s.d.]), as principais desvantagens são: (I) Necessidade de possuir um lençol freático nas devidas condições para aplicação do método; (II) É específico para determinadas cultivos, como por exemplo plantio de feijão; (III) Sem riscos de acúmulo de sais minerais na água e no solo. Na Fig. 4 está sendo representada a técnica de Subirrigação.

2.3.4 Gotejamento

O sistema de irrigação de gotejamento é feito com uma tubulação com furos que percorre toda a plantação realizando o manejo da água, logo esta técnica é considerada simples e que não precisa de conhecimentos ou habilidades a respeito dela (MEDEIROS, 2018).

De acordo com Medeiros (2018), a principal desvantagem desse método ocorre pela impossibilidade de realizar ajustes de gotejamento na ferramenta, ou seja, ao passo que a planta cresce e sua necessidade hídrica altera não há como diminuir ou aumentar a quantidade de gotas liberadas para o solo. Na Fig. 5 está sendo representada a Irrigação por Gotejamento.

2.4 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS)

Os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável fazem parte da Agenda 2030 e são um pedido global com intuito de garantir paz mundial, extinguir a pobreza e cuidar da fauna e flora. A ONU está auxiliando para que tais objetivos possam ser concretizados com intuito de atingir a Agenda 2030 no Brasil (BRASIL, [s.d.]).

O projeto referente a ODS possui um total de 17 objetivos segundo Brasil ([s.d.]), nosso projeto prevê entrar em 2 objetivos, sendo eles:

• 7 - Energia limpa e acessível: Assegurar o acesso a serviços de energia e aumentar a geração de energias renováveis na matriz energética global;
• 9 - Indústria, inovação e infraestrutura: Desenvolver infraestrutura de qualidade e promover industrialização inclusiva e sustentável;

3 Procedimento Experimental

Neste capítulo será apresentado os tópicos que irá dar sustentabilidade para os resultados que serão obtidos por meio deste estudo de caso, bem como o projeto a ser desenvolvido. No primeiro tópico exibe a descrição dos equipamentos, o segundo aborda a construção do protótipo, e no terceiro tópico apresenta a programação utilizada.

3.1 Equipamentos

Nesta seção será destacado os equipamentos que foram utilizados ao longo do projeto na construção do protótipo, com custo total de R$538,12.

Abaixo será demonstrada a Tabela 1, onde será listado os equipamentos utilizados com um breve detalhamento e o custo total referente cada item.

Fonte: Elaborado pelo autor (2023).

3.2 Construção do Protótipo

Na construção do protótipo foi seguido os seguintes passos para que a montagem do protótipo siga o mesmo exemplo destacado nesse artigo.

• (I) Encaixar o ESP32-IO na placa ESP-WROOM-32 com objetivo de aumentar o número de portas e facilitar as conexões entre os terminais e os sensores.
• (II) Conectar o primeiro relê que será responsável por cortar a entrada de energia dos demais sensores e relês justamente para poupar energia assim que o ESP entrar em modo de hibernação.
• (III) Conectar os demais sensores sempre analisando o datasheet de cada componente respeitando sua alimentação e posteriormente conectando o mesmo a placa de expansão do ESP.
• (IV) Conectar os motores de água na saída de cada relê na qual o mesmo será responsável por liberar a tensão de acionamento.

Abaixo será representada a Fig. 6 que remete a construção do protótipo com indicação em números do passo a passo citado acima.

Na montagem da alimentação do sistema que se refere as baterias e os módulos necessários para seu carregamento foi realizado os seguintes passos para que o mesmo fosse desenvolvido.

• (I) Posicionar o módulo Step-Down no início do sistema para diminuir a tensão recebida da fonte de energia fotovoltaica de 20v para 9v.
• (II) Na montagem da bateria deveremos soldar uma placa BMS 2s de balanceamento e carga para garantir que o carregamento das baterias seja unificado e protegido contra descarga mínima e máxima pois pode gerar problemas no projeto.
• (III) Na montagem das baterias foi utilizado duas de 4.2V totalizando um total de 8.4V em série, o que permite acionar o sistema com requisito mínimo de 5V.
• (IV) Posicionar o módulo step-down na saída da bateria e entrada do ESP32-IO e ajustando o mesmo para manter a tensão de saída em 5V.
• (V) Conectar o painel solar na entrada do módulo step-down a fim de iniciar o carregamento das baterias.

Abaixo será representada a Fig. 7 que remete a construção do protótipo de pacote de baterias (Battery pack) com indicação em números do passo a passo citado acima.

3.3 Programação do ESP32

O sistema como um todo foi dividido em diversas tarefas, cada uma responsável por gerenciar e executar suas devidas funções. Toda divisão de código foi gerenciada para melhor limpeza e definição visando um alto nível em caso de manutenção do mesmo, uma vez que os parâmetros foram ajustados diversas vezes até a versão final da codificação.

A estrutura como um todo segue a linha das seguintes tarefas, sempre as executando e retornando após a inicialização a cada tempo de hibernação, sendo assim toda vez que o ESP reiniciar suas tarefas ele irá executar todas sequencialmente.

Começando com a configuração inicial é verificado o percentual da bateria, controle criado visando poupar a saúde da bateria e não operar em baixas tensões de carga, o que irá prolongar a vida útil da mesma, após a verificação é iniciado todas as bibliotecas necessárias para seu funcionamento e realizada a inicialização de todas as tarefas simultaneamente com o gerenciamento do RTOS disponível no ESP32.

Conforme fluxograma na Fig. 8, será demonstrado o funcionamento do setup inicial do programa.

A tarefa de hibernação foi desenvolvida com o propósito de controlar o horário de atuação do projeto com intuito de economizar energia. Desta forma o protótipo irá hibernar quando todas as tarefas forem concluídas.

Atuando com a hibernação em microcontroladores o consumo de energia reduz drasticamente, prolongando assim a carga da bateria.

Conforme Fig. 9 será demonstrado o fluxograma do funcionamento detalhado do sistema de hibernação.

A tarefa de sistema por sensor atua na primeira premissa do projeto que seria o controle por malha fechada, onde toda e qualquer decisão do momento de irrigação será de acordo com a leitura do sensor de umidade do solo.

Para que isso seja possível, foram realizados testes de bancada a fim de definir os parâmetros de ativação que servem como gatilho para iniciar e terminar a irrigação, dessa maneira chegaram-se aos seguintes valores como mínimo e máximo.

O percentual de inicialização foi definido em menor ou igual a 70%, irá iniciar a irrigação por 3s, após irá excluir a tarefa. Para melhor entendimento, na Fig. 10 será apresentado o fluxograma do funcionamento detalhado do sistema por sensor.

A tarefa de sistema por tempo irá atuar conforme a segunda premissa do projeto que seria o controle por malha aberta, onde toda decisão de irrigação é definida com base em horários, esses por sua vez foram definidos por meio de conhecimentos empíricos onde foi decidido realizar a irrigação três vezes ao dia.

Uma vez que os horários foram definidos ele irá atuar sempre que o mesmo for igual ou maior, iniciando assim o ciclo de irrigação que dura 3s e nunca irá repetir o mesmo horário no dia.

A Fig. 11 apresenta o fluxograma do funcionamento detalhado do sistema por tempo para melhor entendimento da rotina.

A última tarefa desenvolvida foi a de envio de informação que por sua vez será responsável por coletar todos os dados disponíveis no protótipo a fim de responder à questão problema e os objetivos levantados nesse projeto.

Desta forma, a mesma se conectará a uma API hospedada em um servidor que irá armazenar todos dados gerados pelos sensores, coletou-se os seguintes dados: (I) Umidade do solo, (II) Temperatura, (III) Umidade do ar, (IV) Tensão de bateria.

Conforme figura 12 a seguir o fluxograma do funcionamento detalhado da tarefa de envio de informação.

4 Resultados e Discussão

Nesse capítulo serão demonstrados os resultados obtidos por meio da construção do protótipo em malha aberta e fechada. Este tópico será apresentado os Resultados de Leitura.

4.1 Resultados de Leitura

No decorrer do projeto foram coletados dados por meio de leitura a partir do funcionamento do protótipo, tais dados foram enviados dentro de um objeto JSON diretamente para uma API armazenada na nuvem, a mesma ficou com total responsabilidade de armazenar essas informações afim de dar autonomia para o projeto.

Os dados apresentados abaixo são uma média de cada dia, ou seja, ao longo do dia a coleta foi realizada mais de uma vez, iniciada as 8:00 horas e finalizada as 17:00 horas em um intervalo de 10 minutos para cada registro. Abaixo são apresentadas as tabelas que serão divididas em subtópicos e mais bem exploradas.

4.1.1 Tabela de umidade por sensor e por tempo

A tabela de umidade do solo por sensor e por tempo, responsável por armazenar os dados referente aos dois sistemas (malha fechada e aberta, respectivamente) foi dividida em duas propriedades, sendo elas:

• Tipo sensor: demonstra os dois sistemas, irrigação por tempo e pelo sensor de umidade (malha aberta e malha fechada).
• Umidade do solo: armazena os percentuais de umidade.

Todas as propriedades destacadas possuem como objetivo demonstrar a umidade do solo para cada tipo de sensor. Abaixo será demonstrado o gráfico 1 com a coleta dos dados dos períodos de 27 de abril a 14 de maio.

Ao longo das coletas foi possível verificar que a umidade entre ambos os sistemas não apresentou grandes diferenças no percentual de umidade do solo. Além disso, pode-se destacar que a maior diferença ocorreu no dia 02/05/2023.

Ao longo desse período foi possível constatar que o sensor de umidade não teve a acurácia eficaz ao passo que não é possível identificar em quais momentos houve a irrigação devido sua pequena variação de faixa. Abaixo será demonstrado o gráfico 2 de sistema por tempo (malha aberta) do dia 13/05/2023 com todas as coletas.

Ao analisar o gráfico 2 é possível constatar que a irrigação ocorreu nos horários definidos conforme destaque no gráfico. Por outro lado, ao comparar a umidade antes da irrigação com os valores posteriores, não há uma grande variação o que comprova que o sensor utilizado não possui acurácia necessária.

Logo, ao analisar o gráfico 3 de sistema por sensor (malha fechada), não é possível identificar em quais momentos ocorreu a irrigação devido a aferição do sensor. Abaixo será apresentado o gráfico 3 com os dados do dia 13/05/2023.

4.1.2 Tabela de Bateria

A tabela de bateria é responsável pelo armazenamento de dados referente a tensão em volts do pacote de baterias (Battery pack), ao realizar a conversão é retornado o percentual de carga.

Tais dados foram coletados com o objetivo de assegurar a eficiência energética do projeto contribuindo para o item 7 destacado na ODS que se remete a energia limpa e acessível.

Abaixo será demonstrado os gráficos com a coleta de resultados sendo que o primeiro irá trazer as informações de tensão e o segundo o percentual de tensão das baterias.

Por meio da API foi coletado os dados de tensão conforme o gráfico destacado no gráfico 4. Esta tensão se refere a carga da bateria sendo que, de acordo com o fabricante, a tensão nominal para esse modelo de bateria é de 3,7V cada uma, contudo a tensão pode variar de 3V até 3,7V de modo que não prejudique a vida útil da bateria.

No entanto, a tensão pode variar 2,5V até 4,2V, porém irá prejudicar a vida útil da bateria. Na montagem do protótipo foi inserida duas baterias em série totalizando 7,4V de tensão nominal recomendada.

No gráfico 4 consta leituras de tensão das baterias sendo que no dia 02/05/2023 sua média de tensão ultrapassou a carga máxima de 7,4V, isto pode acontecer devido a tensão poder chegar a 8,4V, porém esta prática a longo prazo prejudica a vida útil da bateria.

Pelo gráfico é possível constatar que durante a coleta houve períodos de dias nublados, por exemplo do dia 04/05/2023 até 09/05/2023 onde foi constatado o menor volume de carga coletado das baterias.

O gráfico 5 representa o percentual de carga do pacote de baterias de modo que a visualização por parte dos usuários fique mais clara.

A coleta por meio da API foi realiza por meio de tensão, desta forma, para chegar no percentual foi realizada uma conversão matemática por meio da fórmula abaixo:

• Delta: valor de coleta – valor mínimo de carga recomendada.
• Rise: valor percentual máximo – valor percentual mínimo, ou seja, respectivamente de 100 a 0.
• Run: valor máximo de carga recomendada – valor mínimo de carga recomentada.
• Out_min: valor percentual mínimo.

Por exemplo, no dia 25/04/2023 teve-se uma média de tensão de 7,17497587 V e ao converter para percentual chegou-se ao valor de 83,93%.

4.1.3 Tabela de Temperatura

A tabela de temperatura é responsável por armazenar os dados coletados de temperatura em graus (ºC) onde o protótipo está alocado, remetendo assim a temperatura geral do protótipo.

O gráfico 6 apresenta os dados coletados de temperatura do período.

No gráfico 6, pode-se observar que a média mais alta de temperatura foi no dia 25/04/2023 de 37,10ºC e a mais baixa no dia 11/05/2023 de 21,49ºC.

Ao analisar o gráfico 7, pode-se observar que o pico de temperatura mais alto foi no dia 28/04/2023 de 53,80ºC e mais baixa no dia 11/05/2023 de 23,80ºC.

A importância do controle de temperatura se dá pelo fato de que, de acordo com o fabricante da bateria, ela não aguenta mais que 60ºC e por este motivo foi realizado acompanhamento diário com intuito de garantir que este problema não ocorresse.

Para este experimento não foi considerado a medição exata da temperatura na bateria e sim do ambiente em que o protótipo está alocado pelo motivo de que o mesmo não consome muita corrente, logo a temperatura da bateria é próxima do dado geral do ambiente.

4.1.4 Tabela de Umidade do Ar

A tabela de umidade do ar é responsável por armazenar os dados coletados referente a umidade do ar onde o protótipo está alocado sendo seu valor em percentual, conforme apresenta o gráfico 8 com os dados coletados.

Ao analisar as informações coletadas no gráfico 8 é possível identificar que as umidades mais altas foram nos dias 04, 05 e 08 de maio de 2023 chegando a valores acima de 77%. Além disso, foi possível constatar que no dia 14/05/2023 houve a umidade mais baixa dentro do protótipo.

Este dado é importante para monitorar a umidade dentro do protótipo com intuito de cuidar da vida útil do mesmo, ou seja, se o ambiente for muito úmido pode danificá-lo.

5 Conclusão

Frente as novas evoluções tecnológicas e a necessidade de automação nos meios de irrigação houve a iniciativa de criar um protótipo de malha aberta e fechada para irrigação do solo. Desta forma, este estudo de caso teve como objetivo geral apresentar as vantagens e desvantagens do protótipo em malha aberta e fechada.

O primeiro objetivo específico teve como propósito avaliar o custo da construção do protótipo. Ao finalizar o protótipo é possível constatar que sua construção possui um baixo custo conforme a tabela de equipamentos.

O segundo objetivo específico tem o intuito de apresentar os dados coletados por meio do protótipo afim de contribuir para estudos futuros. Além disso é possível observar ligações entre os resultados coletados como por exemplo:

• No dia 05/05/2023 observa-se o consumo de energia foi maior que a capacidade de carga pois ao comparar com o dia anterior sua carga está menor. Neste dia a temperatura média estava em 30ºC, porém a umidade média do ar ficou em 77%. Desta forma, entende-se que a probabilidade de ser um dia nublado é grande pois a bateria não carregou mais que seu consumo.
• No dia 14/05/2023 é possível avaliar que a umidade do ar está baixa, a temperatura está alta e, consequentemente, a bateria está com percentual alto de carregamento. Logo, entende-se que essas duas variáveis contribuem para o carregamento da bateria.
• Ao longo dos testes e coleta de dados constatou-se que o sensor HD-38 para leitura da umidade do solo não apresentou uma acurácia desejada, logo, não há confiabilidade nas leituras do mesmo.

O terceiro objetivo tem como intuito apresentar diferentes tipos de irrigação para maior conhecimento do tema abordado.

O quarto objetivo tem o propósito de utilizar uma fonte de energia renovável afim de contribuir para os objetivos da ODS. Ao analisar os gráficos é possível avaliar que para este protótipo o gasto de energia é baixo, porém mesmo assim contribui com meio ambiente pelo fato de utilizar uma fonte de energia renovável.

Desta forma, em resposta à questão de pesquisa do estudo - Quais são as vantagens e desvantagens de um sistema em malha aberta e fechada? - Foi possível observar que no sistema malha aberta existem as seguintes vantagens e desvantagens.

• Vantagens:
  • Configurável por horário, logo depois disso não necessidade de mão de obra humana.
  • Possui baixo custo para construção.
  • Possui baixo gasto de energia se comparado ao sistema de malha fechada, pois pode hibernar entre os períodos de irrigação.
• Desvantagens:
  • Desperdício de água, pois realiza a irrigação independente do tempo e umidade, logo, se for um dia de chuva irá realizar a irrigação normalmente se ninguém realizar a intervenção do processo.
  • Correlacionado a desvantagem citada acima, não é possível saber a umidade do solo no momento da irrigação, logo, se estiver úmido irá irrigar normalmente.

Por outro lado, o sistema de malha fechada possui as seguintes vantagens e desvantagens.

• Vantagens:
  • Reduz desperdício de água, pois somente realiza a irrigação quando o solo está seco.
  • Possui baixo custo para construção.
  • Após instalado, não há necessidade de intervenção humana para realizar a irrigação.
• Desvantagem:
  • Tempo de hibernação menor em relação ao sistema de malha aberta, logo gasta mais energia.
  • Sensor HD-38 utilizado neste protótipo possui baixa acurácia.

Por fim foi constatado como limitação deste estudo o fato de que o sensor HD-38 utilizado no protótipo possui baixa acurácia, logo, não realizou a irrigação no sistema de malha fechada conforme o esperado. Desta forma, sugerem-se realizar novos estudos com a mesma temática variando os tipos de sensores afim de realizar comparações e avaliar qual possui melhor acurácia.

Referências

AHMED, E. M. E.; ABDALLA, K. H. B.; ELTAHIR, I. KHIDER. Farm Automation based on IoT. 2018 International Conference on Computer, Control, Electrical, and Electronics Engineering (ICCCEEE). Anais...IEEE, ago. 2018. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/8515853/. Acesso em: 7 maio. 2022.

BRASIL. Sobre o nosso trabalho para alcançar os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável no Brasil. Disponível em: https://brasil.un.org/pt-br/sdgs. Acesso em: 30 abr. 2022.

CHOI, A. J. Internet of Things: Evolution towards a hyper-connected society. 2014 IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (A-SSCC). Anais...IEEE, 13 nov. 2014. Disponível em: http://ieeexplore.ieee.org/document/7008846/. Acesso em: 22 abr. 2022.

COELHO, E. F.; COSTA, É. L.; TEIXEIRA, A. H. DE C. O Cultivo da Bananeira. Cruz das Almas - BA: [s.n.].

CUNHA, K. C. B.; ROCHA, R. V. AUTOMAÇÃO NO PROCESSO DE IRRIGAÇÃO NA AGRICULTURA FAMILIAR COM PLATAFORMA ARDUÍNO. Revista Eletrônica Competências Digitais para Agricultura Familiar, v. 1, n. 2, p. 62–74, dez. 2015.

CUNHA, M. M. Desenvolvimento de um sistema embarcado para realização de manejo de irrigação. São Cristóvão: Universidade Federal de Sergipe, 7 fev. 2019.

FLORIN, O. C.; MIHAI, N. A. Solution For Water Management Using A Smart Irrigation System. 2019 International Conference on Electromechanical and Energy Systems (SIELMEN). Anais...IEEE, out. 2019. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/8905879/. Acesso em: 24 abr. 2022.

MAROUELLI, W. A. et al. Irrigação na cultura do alho. Brasília: [s.n.]. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/287640895. Acesso em: 31 maio. 2022.

MAXMAQ. Irrigação por Aspersão: Saiba tudo sobre o principal método de irrigação. Disponível em: https://maxmaq.com.br/blog/irrigacao-por-aspersao/. Acesso em: 31 maio. 2022a.

MAXMAQ. Conheça a Irrigação Por Gotejamento e Dobre Sua Produtividade. Disponível em: https://maxmaq.com.br/blog/irrigacao-por-gotejamento/. Acesso em: 31 maio. 2022b.

MEDEIROS, P. H. S. SISTEMA DE IRRIGAÇÃO AUTOMATIZADO PARA PLANTAS CASEIRAS. João Monlevade: [s.n.]. Disponível em: https://www.monografias.ufop.br/bitstream/35400000/1199/1/MONOGRAFIA_SistemaIrriga%C3%A7%C3%A3oAutomatizado.pdf. Acesso em: 10 maio. 2022.

MEMON, K. et al. A Review Based On Comparative Analysis of Techniques Used in Precision Agriculture. 2023 4th International Conference on Computing, Mathematics and Engineering Technologies (iCoMET). Anais...IEEE, 17 mar. 2023. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/10099182/. Acesso em: 29 abr. 2023.

MORAS, L. F. D. et al. Manual Técnico para a Restauração de Áreas Degradadas no Estado do Rio de Janeiro. Jardim Botânico do Rio de Janeiro, p. 1–85, 2013.

NAMALA, K. K. et al. Smart irrigation with embedded system. 2016 IEEE Bombay Section Symposium (IBSS). Anais...IEEE, 2 dez. 2016. Disponível em: http://ieeexplore.ieee.org/document/7940199/. Acesso em: 22 maio. 2022.

PERNAPATI, K. IoT Based Low Cost Smart Irrigation System. 2018 Second International Conference on Inventive Communication and Computational Technologies (ICICCT). Anais...IEEE, 26 abr. 2018. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/8473292/. Acesso em: 7 maio. 2022.

SENAR. Irrigação: manejo e gestão em sistema localizado. Coleção Senar - 251, p. 1–55, 2019.

SILVEIRA, P. M.; STONE, L. F. Subirrigação. Disponível em: https://www.agencia.cnptia.embrapa.br/Repositorio/AG01_12_1311200215101.html. Acesso em: 13 maio. 2022.

SINGH, P.; SAIKIA, S. Arduino-based smart irrigation using water flow sensor, soil moisture sensor, temperature sensor and ESP8266 WiFi module. 2016 IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC). Anais...IEEE, dez. 2016. Disponível em: http://ieeexplore.ieee.org/document/7906792/. Acesso em: 14 abr. 2022.

STONE, L. F. Irrigação por asperção. Disponível em: http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/feijao/arvore/CONTAG01_37_1311200215102.html. Acesso em: 13 maio. 2022.

TEPHILA, M. B. et al. Automated Smart Irrigation System using IoT with Sensor Parameter. 2022 International Conference on Electronics and Renewable Systems (ICEARS). Anais...IEEE, 16 mar. 2022. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/9751993/. Acesso em: 28 abr. 2023.

TESTEZLAF, R. Irrigação: métodos, sistemas e aplicações. Campinas: Unicamp/FEAGRI, 2017.

VARSHINI, R.; KARTHIKEYAN, A. Internet of Things – Evolution, Architecture and Real Time Application- Survey. 2019 International Conference on Vision Towards Emerging Trends in Communication and Networking (ViTECoN). Anais...IEEE, 14 mar. 2019. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/8899584/. Acesso em: 22 abr. 2022.

WANG, X.; KAILI, Z.; ZHIYONG, H. Open Field Smart Planting System of Family Farm. 2021 IEEE 6th International Conference on Computer and Communication Systems (ICCCS). Anais...IEEE, 23 abr. 2021. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/9449242/. Acesso em: 14 abr. 2022.