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Como citar este trabajoAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Sistema de supervisão e controle para casas de vegetação empregando rede wireless de sensores
Ivo Reis FontesI; José Angelo CagnonII; Ricardo Martini RodriguesIII
IProfessor Assistente Doutor - DEE/FEB/UNESP - Bauru/SP ivo@feb.unesp.br
IIProfessor Adjunto - DEE/FEB/UNESP - Bauru/SP jacagnon@feb.unesp.br
IIIProfessor Assistente Doutor - DEE/FEB/UNESP - Bauru/SP martini@feb.unesp.br
RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo a configuração de um sistema de supervisão e controle para casas de vegetação empregando um sistema de coleta de dados de parâmetros de controle através de uma rede de comunicação sem fios (wireless). De acordo com a metodologia adotada, o seu desenvolvimento foi realizado em três fases distintas. Inicialmente foram desenvolvidos os módulos de hardware compreendendo Unidades de Sensores, Unidade Concentradora de Dados e sensores de umidade de substrato do tipo capacitivo. Em seguida foi configurada uma aplicação através de um programa de supervisão e controle do tipo SCADA, o Elipse PRO, dedicada à supervisão e controle de uma casa de vegetação. Na fase final foram coletados os dados necessários para o treinamento de uma rede neural artificial que é parte integrante do sensor de umidade. As Unidades de Sensores e Concentradora de Dados foram desenvolvidas a partir de microcontroladores de baixo consumo e alto desempenho e apresentam excelente relação custo/benefício. Estas unidades são empregadas na aquisição e armazenamento de dados provenientes de diversos sensores existentes na instalação. A fim de eliminar os inconvenientes existentes nos sistemas que empregam redes físicas de dados foram utilizados enlaces de radiofreqüência, com padrão de mensagem do protocolo MODBUS/RTU, para a comunicação entre estas unidades. A aplicação desenvolvida através do Elipse PRO é composta de um conjunto de telas que representa de forma virtual todo o ambiente da casa de vegetação. Por meio delas o operador pode alterar o modo de operação de cada um dos elementos envolvidos no processo de irrigação e de climatização do ambiente. Tendo em vista as características de custo, flexibilidade de operação e funcionalidade existentes o sistema obtido representa uma solução economicamente viável na automação casas de vegetação. Pode-se afirmar que se trata de uma solução inovadora e que em muito pode contribuir tanto para o aprimoramento de espécies cultivadas bem como prover os meios necessários para o uso racional dos recursos e insumos de produção, notadamente a energia elétrica.
ABSTRACT
The present work had as objective the configuration of a supervision and control system for greenhouses applications using a system of data collection of control parameters through a wireless communication network. In agreement with the adopted methodology, its development was accomplished in three different phases. Initially the hardware modules for a Sensors Unit, a Data Concentrator Unit and a capacitive type soil moisture sensor were developed. Soon afterwards an application was configured through a SCADA supervision and control program, the Ellipse PRO, dedicated to the supervision and control of a green house. In the final phase the necessary data were collected for the training of an artificial neural network that is integral part of the humidity sensor. The Sensors Unit and the Data Concentrator Unit were developed starting from microcontrollers of low consumption and high performance and presents excellent cost/benefit relationship. These units are used in the acquisition and data storage of incomings from several sensors applied in the installation. In order to eliminate the inconveniences of a system that uses nets of electric cables connections links of RF was used, with pattern of message of the protocol MODBUS/RTU, for the communication among these units. The application developed through the Ellipse FOR is composed of a group of screens that represents in a virtual way the complete green house environment. Through these screens the operator can alter the operation state of each one of the elements involved in the irrigation and climatization control process. According the cost characteristics, operation flexibility and existent functionality this system represents a solution economically viable in the automation green houses. It can be affirmed that this configuration represents an innovative solution and that can contribute in much for the improvement of cultivated species as well as to provide the necessary ways for the rational use of the resources and production inputs, especially the electric power.
1. INTRODUÇÃO
O rápido desenvolvimento da industria eletrônica, acompanhado da drástica redução de preço dos computadores tornou esta tecnologia disponível para as mais variadas aplicações, notadamente a automação industrial. No final da década de 60, em virtude da necessidade urgente de modernização da industria automobilística surgiram os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs), que passaram a fazer parte da maioria dos sistemas de automação. Estes dispositivos, inicialmente concebidos a partir de microcontroladores, evoluíram de uma simples unidade capaz de fornecer sinais de saída lógicos a partir da aplicação de funções lógicas sobre sinais de entrada do mesmo tipo, para sistemas mais complexos, capazes de fornecer saídas analógicas em função da aplicação de algoritmos sofisticados sobre sinais entradas analógicos ou digitais. Inicialmente estes dispositivos foram utilizados para substituir os complexos quadros de controle, constituídos, na maioria das vezes, de uma grande quantidade de botoeiras e contactores interligados por uma teia fios, a fim de proporcionar maior versatilidade nas mudanças de configuração bem como facilitar as atividades de manutenção.
Em pouco tempo os versáteis CLPs passaram a ser interligados através de redes digitais de dados dedicadas, utilizando protocolos desenvolvidos especificamente para uso em sistemas de controle de processo. Devido a grande flexibilidade apresentada por esta nova tecnologia a sua aceitação hoje é universal.
Com o crescimento das redes de automação, acompanhado da complexidade das tarefas a serem desempenhadas, exigiu a necessidade de se dispor de um controle centralizado do processo produtivo, dando origem aos programas de computador denominados Supervisórios, notadamente os do tipo SCADA (Sistema de Supervisão, Controle e Aquisição de Dados) (Silveira e Santos, 1998). Estes sistemas permitem a criação e execução de aplicações do tipo HMI (Interface Homem-Máquina), que operam a partir de dados obtidos através de redes de sensores e através das quais é possível controlar em tempo real e com precisão qualquer tipo de processo.
Todo esse avanço tecnológico não seria de grande utilidade se não fosse o desenvolvimento de sensores e atuadores analógicos e digitais que ao longo do tempo foram sendo incorporados a estes sistemas.
É evidente que o rápido avanço tecnológico apresentado na concepção de modernos recursos de hardware empregados nos sistemas de processamento digital de informação vem se tornando um fator preponderante na tomada de decisão quanto ao emprego destes sistemas para a consecução das mais variadas tarefas de nosso cotidiano (Wayner, 2003). A agricultura é uma das áreas de atividades que já vem se beneficiando desta tecnologia.
Howell et al. (1984), destacam o uso pioneiro de estações climatológicas automatizadas que fornecem dados para o controle de irrigação. Segundo Hubbard et al. (1983) e Sargent (1986), o uso da informática na agricultura tem se mostrado eficiente em atividades que vão desde o controle de pragas até a previsão de enchente, não se podendo deixar de mencionar ainda a imensa gama de sistemas de automação computadorizados ou mesmo microcontrolados que estão presentes nas mais variadas partes de compõem os modernos implementos agrícolas.
Nos tempos atuais já se consagra o uso de sistemas de supervisão e controle na automação agrícola, porém, o que se observa é que na maioria das situações são adotadas adequações de soluções industriais.
Um dos fatores que geralmente influenciam na tomada de decisão quando se opta pela automação de processos agrícolas está relacionado com a disponibilidade de sensores e atuadores que atendam as necessidades do projeto e mantenham a relação custo/benefício dentro de limites aceitáveis.
O objetivo do presente trabalho foi a configuração de um sistema de supervisão e controle para casas de vegetação com aquisição de parâmetros de sensores através de uma rede de comunicação por radiofreqüência de baixo custo.
2. MATERIAL E MÉTODOS
Para o desenvolvimento experimental desta pesquisa foram utilizadas as instalações existentes de uma casa de vegetação do Departamento de Biologia da Faculdade de Ciências - FC, UNESP, Campus de Bauru.
A casa de vegetação (Figura 1), fabricada pela empresa Van der Hoeven Indústria e Comércio Ltda., tem uma área construída de 65,6 m2 e inclui um sistema automático de resfriamento através de painéis evaporativos humicool, um sistema automático de ventilação e exaustão tipo fan, um sistema automático de nebulização do tipo mist, um sistema automático de cortina de sombreamento tipo tela aluminizada aluminet, um sistema de mesas fixas e um quadro de controle e automação.
A fim de se atingir uma relação custo/benefício dentro de limites aceitáveis foram desenvolvidos dois módulos microcontrolados, que compõem o sistema de aquisição dos valores dos parâmetros de controle da casa de vegetação, compreendendo: umidade do substrato (solo), temperatura do substrato, temperatura ambiente e nível irradiação solar, denominadas Unidade de Sensores e Unidade Concentradora de Dados. Para a comunicação entre estas unidades foram empregados enlaces de radiofreqüência (RF) através de transceptores BiM2-433 da Radiometrix Ltd., que operam na freqüência de 433 MHz e nível de RF de 10 dBm.
Para a medida de umidade do substrato foi desenvolvido um sensor do tipo capacitivo que utiliza uma rede neural artificial (RNA) para ajustar o seu comportamento ao de um sensor do tipo TDR (Time Domain Reflectometer).
A aplicação de supervisão e controle, desenvolvida através do software Elipse PRO do tipo SCADA, fornecido pela Elipse Software Ltda., apresenta de forma virtual através de telas contendo animações de todo o processo produtivo dentro da casa de vegetação, proporcionando ao operador do sistema interagir com todos os elementos que são controlados. Por se tratar um sistema de supervisão e controle do tipo SCADA, através da aplicação é possível estabelecer os valores de referências das variáveis de controle por meio de receitas bem como gerar outros produtos, tais como: relatórios, curvas de tendências e outros, bem como alimentar banco de dados que podem ser utilizados na tomada de decisão para o aprimoramento de espécies e para a racionalização do uso dos recursos e insumos utilizados na produção.
A configuração do sistema é apresentada no diagrama de blocos da Figura 2.
2.1 UNIDADE DE SENSORES E CONCENTRADOR DE DADOS
As unidades de sensores são módulos microcontrolados, utilizados na aquisição dos valores do diversos parâmetros de controle dentro da casa de vegetação. Estas são alimentadas por baterias seladas de chumbo-ácido com tensão nominal de 12 VCC e capacidade de 7,2 Ah. A Figura 3(a) apresenta uma destas unidades, configurada para aquisição da umidade e da temperatura do Substrato.
Estes módulos foram desenvolvidos a partir de um microncontrolador ATtiny15L da ATMEL, por se tratar de um componente de baixo consumo de energia e de alto desempenho e apresentar as características ideais para o tipo de aplicação desejada. Cada módulo contém: a) dois canais de conversão A/D (Analógica/Digital) de 11 bits, para aquisição dos valores dos sinais provenientes de dois sensores, sendo que um dos canais pode ser configurado para aquisição do valor da tensão da bateria de alimentação; b) uma interface de comunicação serial configurável para o padrão RS485 ou para comunicação por RF através de um transceptor de RF BiM2-433 que é utilizada na troca de dados com a Unidade Concentradora de Dados empregando protocolo MODBUS/RTU e c) o circuito eletrônico para a medida da umidade de substrato com um sensor do tipo capacitivo.
As unidades de concentradora de dados são módulos microcontrolados empregados na coleta de dados das unidades de sensores através de um processo de interrogação cíclico e também atuam como acionadores de dispositivos elétricos existentes na instalação, tais como: a) válvulas solenóides, b) bombas, c) ventiladores e d) motores de acionamento de cortinas, etc. Estas unidades podem ser alimentadas através de baterias de 12 VCC ou eliminadores de bateria. A Figura 3(b) apresenta uma destas unidades, que pode ser configurada para interrogar até 63 Unidades de Sensores.
Estes módulos foram desenvolvidos a partir de um microncontrolador ATMEGA161 da ATMEL. Para a comunicação com o sistema supervisório é empregada uma interface de comunicação serial configurável para os padrões RS232 e RS485 e para comunicação com as unidades de sensores é empregada uma interface serial configurável para o padrão RS485 ou para comunicação por RF através de um transceptor de RF do mesmo tipo das Unidades de Sensores.
O protocolo utilizado em todas as portas de comunicação é o MODBUS/RTU. O endereço de cada uma destas unidades e o número de Unidades de Sensores interrogadas são configuráveis através de duas chaves digitais de 8 bis.
2.2 SENSORES
Para a medida dos parâmetros de controle da casa de vegetação foram utilizados sensores: a) Temperatura do ar e do substrato: AD22100 da Analog Divices Inc., b) Umidade relativa do ar: HIH-3605-A da Honeywell Inc., d) Irradiação solar: TSL235 da Texas Advanced Optoelectronics Solutions, e) Umidade do substrato: um TDR modelo ML2x da Delta-T Devices Ltd. e sensores do tipo capacitivo de baixo custo especialmente desenvolvido para a aplicação.
2.2.1 SENSOR DE UMIDADE DE SUBSTRATO DO TIPO CAPACITIVO
O sensor do tipo capacitivo, desenvolvido para a medida da umidade substrato, que opera segundo o princípio da FDR (Frequency Domain Reflectometry) é composto por duas hastes de aço inoxidável de dupla camada isoladas por um tubo plástico termo-encolhível é apresentado na Figura 4.
O circuito eletrônico deste sensor se constitui em um conversor freqüência/tensão. O valor do sinal de saída deste circuito, em conjunto com o valor da temperatura do substrato, é utilizado como dado de entrada para uma RNA que é utilizada como aproximador de função a fim de se obter comportamento semelhante ao de um TDR comercial.
2.3 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO POR RF
Para o estabelecimento do canal de comunicação de RF entre o Concentrador de Dados e as Unidades de Sensores foi necessário o estabelecimento de um protocolo proprietário a fim de eliminar os problemas de ruído de entrada nos receptores. A ocorrência de ruído está relacionada com o fato de que quanto todos os transceptores estão no modo de recepção, sinais provenientes de outras fontes de RF induzem sinais de freqüência elevada em suas saídas que podem ser interpretados como o início de uma mensagem. Desta forma, quando uma unidade começa uma transmissão, os receptores somente conseguem receber corretamente a mensagem depois de transcorrido um intervalo de tempo de aproximadamente 100 microssegundos. Um outro problema associado aos transceptores está associado ao fato destes dispositivos empregarem um filtro digital passa-baixa em seu estágio de saída que impõe a necessidade de manter um padrão serial de bits por um certo tempo em sua entrada para que seja possível a decodificação correta do sinal da mensagem.
O protocolo desenvolvido para resolver estes problemas está representado na Figura 5 e compreende o encapsulamento da mensagem MODBUS/RTU em três fases: a) Treinamento, b) Sincronização e c) Terminadora.
2.4 COLETA DE DADOS
Para a coleta dos dados utilizados no treinamento da RNA do sensor de umidade de substrato do tipo capacitivo foi utilizado um corpo de prova constituído de um vaso contendo 6 mudas de eucalipto e 6 mudas de pinus, cedidas de Duratex S.A., onde foram instalados um sensor capacitivo, um TDR e dois sensores de temperatura para medir as temperaturas do substrato e do ambiente, conforme mostra a Figura 6(a). A coleta de dados provenientes dos sensores foi realizada através de uma aplicação do Elipse composta de uma única janela, que é apresentada na Figura 6(b).
Para o armazenamento dos dados foi utilizado um objeto do tipo Database, conectado a uma planilha do Excel (Data_Ivo.xls) contendo os campos SENSOR (Tensão do sensor capacitivo), TDR (Tensão do TDR), TEMPS (Temperatura do substrato), TEMPA (Temperatura do ar) e os campos relativos ao instante da aquisição de cada conjunto de dados (hora, minuto, segundo, dia, mês e ano).
Através desta aplicação foram coletados 2402 conjuntos de dados espaçados de 5 minutos durante o período de 02/07/2003 a 17/07/2003.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 APLICAÇÃO DE SUPERVISÃO E CONTROLE
Para realizar a supervisão e o controle da casa vegetação foi desenvolvida uma aplicação no Elipse PRO que é composta de uma série de janelas contendo animações de abertura e fechamento de portas através das quais o operador pode interagir com os elementos existentes no ambiente controlado, podendo visualizar o estado das variáveis de controle bem como ligar ou desligar os equipamentos existentes.
A Figura 7(a) apresenta a tela de entrada e proteção da aplicação, através da qual o operador tem acesso ao Sistema de Supervisão e Controle. Quando o operador acessa a aplicação realizando o login é apresentada uma vista externa da casa de vegetação, conforme mostra a Figura 7(b).
Quando o mouse é acionado sobre a área assinalada sobre a porta de entrada uma animação é executada e a porta é aberta dando acesso à câmara de entrada da casa de vegetação, apresentada na Figura 8(a), onde se encontram os painéis de controle.
A Figura 8(b) representa de forma virtual a câmara interna da cacas de vegetação onde estão presentes os displays para a visualização dos valores das diversas variáveis de controle, cujos valores são coletados pelo sistema de aquisição e os elementos de climatização do ambiente: exaustores, cortina de sombreamento, humicool e sistema de irrigação.
Como parte da configuração da aplicação de supervisão e controle no Elipse, foi utilizada uma tela de receitas que permite ao operador realizar os ajustes relativos à operação do sistema. Esta tela é apresentada na Figura 9 e é através dela que o operador pode ajustar os valores mínimos e máximos dos diversos parâmetros de controle do sistema, de maneira que a aplicação realize o controle da umidade do substrato e das condições climáticas do ambiente interno da casa de vegetação de forma automática.
Esta solução elimina a necessidade da utilização dos incômodos temporizadores programáveis que geralmente são empregados nos sistemas econômicos de automação de viveiros de mudas.
3.2 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO RF (WIRELESS)
Uma vez que a comunicação entre as Unidades de Sensores e o Concentrador de Dados foi implementada através de enlaces de RF, como o propósito de se evitar o uso de cabos de sinais elétricos devido a agressividade do ambiente e ao mesmo tempo facilitar o manejo e substituição dos sensores durante a fase de cultivo, adotou-se um protocolo proprietário a fim de garantir confiabilidade de comunicação dentro de taxas de erro que não comprometessem o processo de supervisão e controle.
A fase de treinamento e parte da fase de sincronização observada em uma mensagem transmitida para a Unidade de Sensor de endereço 01 é apresentada na Figura 10(a).
A mensagem recebida pelas Unidades de Sensores é apresentada na Figura 10(b). A validação deste protocolo foi concluída durante a fase de coleta de dados de sensores, período em que não se observou nenhuma perda de comunicação devido a problemas de ruído.
3.3 SENSOR DE UMIDADE CAPACITIVO
A Figura 11(a) apresenta o comportamento dos valores da umidade do substrato obtidos através dos dois sensores instalados no corpo de prova.
O resultado da aplicação de padrões de teste é apresentado na Figura 11(b) e demonstram que o sensor capacitivo pode substituir um sensor de precisão a custo bem menor.
A partir dos dados obtidos foi realizado o treinamento de uma RNA Perceptron, utilizada como aproximador de função, cuja arquitetura final é apresentada na Figura 12 e compreende uma camada de entrada de 3 neurônios, uma camada escondida de 3 neurônios e uma camada de saída de 1 neurônio.
4 CONCLUSÃO
Para se atingir a configuração aplicação de supervisão e controle da casa de vegetação que apresentasse uma relação custo/benefício dentro de limites aceitáveis optou-se pelo desenvolvimento de um sistema de coleta de dados dos parâmetros de controle empregando enlaces através RF, uma vez que esta solução, além de eliminar os inconvenientes existentes nas instalações de redes de dados através de cabos de sinais, proporciona maior flexibilidade no manejo dos elementos de medição ao longo do processo produtivo. Ainda, objetivando a redução do custo inicial da instalação do sistema bem como atender os requisitos de dimensões impostos nos sistemas de cultivo de mudas em pequenos recipientes optou-se pelo desenvolvimento de um sensor de umidade de substrato do tipo capacitivo cuja operação é equivalente a de um sensor de precisão do tipo TDR, usualmente empregado em sistemas de irrigação.
Tendo em vista as características de custo, flexibilidade de operação e funcionalidade existentes o sistema obtido representa uma solução economicamente viável na automação casas de vegetação. Pode-se afirmar que se trata de uma solução inovadora e que em muito pode contribuir tanto para o aprimoramento de espécies cultivadas bem como prover os meios necessários para o uso racional dos recursos e insumos de produção, notadamente a energia elétrica.
5 AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPESP, pelo auxílio financeiro concedido para a aquisição dos equipamentos necessários à realização da parte experimental da presente pesquisa.
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] HOWELL, T. A. et al. Automated weather data collection for research on irrigation scheduling. Transactions of the ASAE, St. Joseph, v. 27, n. 2, p. 386-391, 1984.
[2] HUBBARD, K. G.; ROSENBERG, N. J.; NIELSEN, D. C. Automated weather data network for agriculture. Journal of Water Resources Planning and Management, Reston, n. 109, p. 213-222, 1983.
[3] SARGENT, R. J. Telemetry for a flood prevention scheme. Water Pollution Control, Washington, v. 85, n. 2, p. 153-159, 1986.
[4] SILVEIRA, P. R.; SANTOS, W. E. Automação e Controle Discreto. São Paulo: Érica, 1998. 229 p. Inclui índice. ISBN 85-7194-591-8.
[5] WAYNER, P. How microchips shook the world. Peterborough: BYTE, 1996. Seção Cover Story. Disponível em: <http://www.byte.com/art/9612/sec6/art1.htm>. Acesso em: 21 jul. 2003.