REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cl10202509121248
Dalton Pedroso de Queiroz1
Rony Gonçalves de Oliveira2
Paulo Sidnei Stringhini Junior3
Leandro Madeira de Oliveira4
Larissa Beatriz de Lafonte Carvalho5
Moisés Felipe Ribeiro dos Santos6
Samuel de Oliveira Ferreira Lima7
Resumo
Este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de automação de baixo custo para rega de pequenos cultivos, fornecendo praticidade e melhoria no modo de se manejar a irrigação no solo, proporcionando economia de água e aumento da produtividade. Os aparatos foram desenvolvidos de forma a constituir um sistema autônomo, possuindo subsistemas que garantam desde a captação da água pluvial até sua disposição final no solo, com fornecimento próprio de energia fornecido por placas solares. O controle e monitoramento foi realizado através de plataforma livre e de código aberto e o sensoriamento foi baseado em parâmetros de umidade do solo.
Palavras-chave: Irrigação Automática, Sensoriamento de Umidade do Solo, Automação de Baixo Custo, Energia Renovável, Plataforma de Código Aberto.
INTRODUÇÃO
A eficiência do uso da água em plantações é um fator extremamente relevante para conservar os recursos hídricos e a estrutura do solo, colaborando com a maximização da produtividade, a eficiência do uso da água, a minimização dos custos de produção, a garantia de condições adequadas de umidade para favorecer o desenvolvimento da cultura objeto da rega, a redução dos problemas de fitossanidade e a manutenção ou melhoria das características físicas, químicas e biológicas do solo.
Muito se fala de irrigação para grandes propriedades, onde sistemas que exigem grande consumo energético e de água são necessários. Pequenas propriedades rurais, agricultura familiar, ou mesmo pequenas plantações nos arredores urbanos (horticultura, viveiros de mudas, etc.), acabam ficando excluídas da tecnologia desenvolvida por grandes empresas do agronegócio. Dessa forma, sistemas de rega de baixo custo, de fácil implementação e idealizados a partir de uma concepção alternativa no uso de materiais, precisam ser implementados para atender a essa demanda.
Esse tipo de desenvolvimento tecnológico também permite viabilizar o potencial dos demais insumos modernos, tais como fertilizantes, uso de sementes melhoradas, inseticidas, fungicidas, herbicidas, dentre outros. Ainda, ameniza os problemas advindos das questões climáticas, os veranicos, evaporação, salinização, esgotamento das águas subterrâneas e dificuldade de acesso às mesmas.
Tudo isso faz com que a rega ou irrigação inteligente se torne cada vez mais necessária para viabilizar a rega de forma eficiente, controlada e acessível aos pequenos produtores.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REVISÃO DA LITERATURA
A automação aplicada à irrigação agrícola tem como objetivo principal otimizar o uso dos recursos hídricos por meio do controle preciso de variáveis ambientais, com destaque para a umidade do solo. Esse controle é realizado por meio de sensores que coletam dados ambientais e os enviam a um microcontrolador, responsável por processar as informações e acionar os atuadores necessários, como válvulas e bombas (MEYER, 2005). A utilização de sensores de umidade é essencial para garantir o manejo adequado da irrigação, contribuindo diretamente para a eficiência no uso da água e o aumento da produtividade agrícola, especialmente em sistemas de pequeno porte (BAYER et al., 2013).
Dentre os microcontroladores disponíveis, o Arduino tem se destacado por ser uma plataforma de código aberto, de baixo custo e fácil implementação. Ele permite a leitura de dados de sensores ambientais, o processamento interno por meio de firmware próprio e a atuação sobre dispositivos eletromecânicos. Essa plataforma oferece hardware compatível com diferentes fontes de energia e software baseado em linguagens como C e C++, utilizando um ambiente de desenvolvimento (IDE) acessível e extensível (BANZI, 2010; BLUM, 2013).
No contexto da irrigação, é fundamental considerar a uniformidade de distribuição da água, a qual impacta diretamente a eficiência e a viabilidade econômica do sistema. A aplicação inadequada de lâminas de irrigação pode causar desperdício por percolação e também déficit hídrico em partes da área cultivada. O Coeficiente de Uniformidade de Christiansen é um dos parâmetros mais utilizados para avaliar essa distribuição (CHRISTIANSEN, 1942).
A captação e o uso racional da água são aspectos críticos para a sustentabilidade dos sistemas irrigados. A captação de águas subterrâneas por poços simples é uma alternativa comum em pequenas propriedades, embora exija observância à legislação da Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico (ANA). Outra opção é o aproveitamento da água da chuva, cujo dimensionamento pode ser realizado por métodos como o Diagrama de Massas (Método de Rippl), amplamente utilizado por sua simplicidade, apesar de críticas quanto à superestimação do volume necessário (CAMPOS et al., 2007).
Para garantir a autonomia do sistema, especialmente em áreas remotas, o uso de fontes renováveis de energia é uma solução viável. A energia solar fotovoltaica, baseada no efeito fotovoltaico em materiais semicondutores, como o silício, é uma alternativa limpa e eficiente para alimentar sistemas automatizados (CERQUEIRA, 2009). Células de silício monocristalino, policristalino e amorfo apresentam diferentes níveis de eficiência e de custos de fabricação.
Nesse contexto, a integração entre tecnologias de automação, sensoriamento ambiental, energias renováveis e técnicas adequadas de captação hídrica possibilita o desenvolvimento de sistemas de irrigação automatizados mais sustentáveis, eficientes e acessíveis a pequenos produtores.
METODOLOGIA
3.1 – Modelo Proposto
O projeto foi estruturado com foco na integração de subsistemas, cuja simplicidade, eficiência energética e baixo custo operacional, torna possível sistemas de irrigação de baixo custo para pequenos cultivos.
3.2 – Subsistema de Captação de Água
A captação e armazenamento de água foi feita num reservatório, projetado para receber água de diferentes fontes, preferencialmente da captação de chuva. O Método de Rippl (NBR 15527 2007), também conhecido como Diagrama de Massas, é usualmente utilizado para estimar a capacidade do reservatório. Esse método determina o volume do reservatório com base na área de captação e na precipitação registrada (CAMPOS, 2004).
A água captada das chuvas pela área do telhado e por calhas, com declividade de 2%, mantém um escoamento constante, evitando acúmulo de fluidos (ABNT 10844). O sistema também incluiu filtragem simples, mecanismos de proteção contra detritos e controle de partículas no reservatório, garantindo qualidade da água e segurança operacional.
3.3 – Subsistema de Suprimento de Energia
O suprimento de energia, baseado em fontes renováveis – energia solar – fornece energia diretamente aos dispositivos ou recarregam baterias de armazenamento, assegurando a operação contínua do sistema mesmo em condições climáticas adversas.
3.4 – Subsistema de Controle e Monitoramento
O controle e monitoramento da umidade do solo, responsável por tornar o sistema inteligente e responsivo às necessidades reais da plantação, foi feito utilizando-se sensores de umidade, que medem a tensão matricial da água no solo e enviam os dados a um microcontrolador baseado na plataforma Arduino. Esse microcontrolador processa as informações e aciona automaticamente o sistema de irrigação quando necessário. Monitorando-se o solo, o parâmetro de acionamento da bomba é o teor de umidade do solo, medido por um sensor que conversa com a plataforma Arduino (DILLY & MENDES, 2015). A programação foi realizada na plataforma Arduino Uno R3 usando-se a Integrated Develop Environment (IDE) do Arduino, que utiliza a linguagem C++.
3.5 – Subsistema de Irrigação
A irrigação transporta a água do reservatório até a área agrícola por meio de uma bomba d’água e a distribui via aspersores, cuja prioridade foi possibilitar alternativas de alta eficiência hídrica, fácil manutenção e baixo custo. Foram realizadas simulações pelo software computacional SOLIDWORKS 2020.
RESULTADOS E DISCUSSÃO OU ANÁLISE DOS DADOS
Para cada subsistema projetado, conforme descrito na metodologia, foram realizadas simulações e estimados os resultados a seguir.
Usando o Método de Rippl foi determinado o volume do reservatório, obtendo-se um volume de cinco mil litros (Figura 1).
Fig. 1. Cisterna modelada de 5.000 litros.
Para alimentação de toda a matriz de eletricidade com placas solares, considerando uma geração média de 345W ± 2,5% por placa comercial, do modelo TSM-PE 15 H-345W, foi calculada a quantidade de 4 placas solares para abastecer o sistema proposto (Figura 2).
Fig. 2. Montagem do Arranjo de 4 placas em 1 Linha.
Para acionamento da bomba, em função do teor de umidade do solo, foi utilizado o módulo de umidade do solo LM393 (Figura 3). Segundo Rodrigues e Meireles (2015), o equipamento é uma opção viável para o monitoramento real do solo.
Fig. 3. Módulo Sensor de Umidade do Solo
O sistema de controle simplificado com ligações para acionamento da bomba d’água pode ser observado na Figura 4.
Fig. 4. Esquema para ligação do sistema de controle
O módulo de umidade realiza o monitoramento do solo com vegetação próxima (DILLY & MENDES, 2015; JACINTO, MIRANDA, LASKOSKI, 2020) e o sensor é integrado ao solo junto à vegetação de interesse. O restante do sistema foi montado em uma caixa protetora (Figura 5).
Fig. 5. Módulo Sensor de Umidade do Solo e Proteção
A irrigação foi projetada de forma a ser dividida em 6 regiões de atuação – 6 bicos – conforme Figura 6, e as simulações realizadas através do software computacional SOLIDWORKS 2020.
Fig. 6. Regiões para simulações realizadas por software
Na figura 6, é possível ainda observar o escoamento inicial no sentido dos tons menos vibrantes (azuis). Foi possível verificar que o líquido (água), devido ao contato com as paredes do tubo (Figura 7), sofre a incidência de forças de reação fluido-parede (FOX; MCDONALD; PRITCHARD, 2014), apresentando velocidades menores de 0,004 m/s, pela resistência à passagem do fluido (BRUNETTI, 2008). No centro da canalização, entretanto, o fluido apresenta uma velocidade maior, sem sofrer em função das paredes do tubo (BRUNETTI, 2008). Isso demonstra a eficiência dos bicos aspersores para a entrega de água de forma pontual na área cultivada. Na entrada do sistema hidráulico, a seção inicial para abastecer os bicos aspersores deve ser de 0,454 m2 de área seccional de entrada do tubo.
Fig. 7. Simulação realizada por Software – paredes do tubo
Foi possível verificar uma velocidade média de 0,033 m/s, sendo a velocidade predominante na tubulação central para abastecer os bicos aspersores, demonstrado pela simulação (Figura 7) na rampa de velocidades. Assim, os aspersores usados para tal finalidade foram da marca YAMAHO, modelo HT-4.
Para proporcionar a velocidade estabelecida para os bicos, a bomba d´agua escolhida foi a KSB-MEGANORM 50-315. Segundo PORTO (2006), para a área de engenharia podem ser utilizados gráficos e mosaicos presentes em catálogos de equipamentos comerciais para resolver problemas práticos, como no caso de sistema de bombeamento para recalque de fluidos. Assim, com base na Figura 8, foi estimado um ponto de funcionamento ideal para uso do sistema proposto para recalque de água no projeto de engenharia hidráulica (AZEVEDO NETTO, 1998; PORTO, 2006).
Fig. 8. Informações de curvas das bombas KSB-MEGANORM 50-315. Porto, (2006), p 152.
Utilizando a Equação 1, foi estimada a vazão de projeto do sistema;
Q = V . A Equação 1
Sendo (Q) a vazão constante no sistema, (A) a área da seção do tubo em (m2) e (V) a velocidade do fluido, no Sistema Internacional (AZEVEDO NETTO, 1998; PORTO, 2006). Para a demanda do sistema proposto obteve-se Q = 51 m3/h, e utilizando-se o gráfico da Figura 8, foram verificados que valores mais próximos a Q = 54 m3/h e H = 42 m, com rotor de diâmetro a 307 mm, serão suficientes. Obteve-se ainda um rendimento de η ≅ 61%, operando em 1750 rpm, para bombas centrífugas da KSB-MEGANORM (PORTO, 2006).
CONCLUSÃO
O esquema do protótipo estimado para todo o sistema, de forma integrada, pode ser visto na Figura 9.
Figura. 9. Protótipo proposto
O sistema elaborado mostrou-se eficiente, com ativação por meio sensorial, automatizando as ações de ativação e desativação da irrigação por meio de microcontroladores de baixo custo e com alimentação autônoma de energia. Toda programação construída foi feita no ambiente de desenvolvimento integrado ou IDE compatível com ferramentas de acesso aberto.
É um protótipo que se mostra sustentável, projetado pensando-se na autonomia da atividade de irrigação, com a reutilização da água da chuva captada pelas calhas e armazenamento da água em cisterna. Não obstante, também pode se valer de outras fontes de captação para o abastecimento da cisterna.
O conjunto motor-bomba foi ajustado para utilizar a energia elétrica fornecida pelas placas solares.
As especificações, conforme descritas nos itens anteriores, estabelecem um sistema economicamente viável para pequenos produtores rurais ou utilizações similares.
REFERÊNCIAS
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 10844 – Instalações prediais de águas pluviais. Rio de Janeiro, 1989.
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 15527 – Água de Chuva – Aproveitamento de Coberturas em Áreas Urbanas Para Fins Não Potáveis – Requisitos. Rio de Janeiro, 2007.
AZEVEDO NETTO, J. M. et al. Manual de hidráulica. 8. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1998. 669 p.
BANZI, M. Primeiros passos com o Arduino. São Paulo: O’Reilly Novatec, 2010.
BAYER, A.; MAHBUB, I.; CHAPPELL, M.; RUTER, J.; IERSEL, M. Water use and growth of Hibiscus acetosella ‘Panama Red’ grown with a soil moisture sensor-controlled irrigation system. HortScience, v. 48, p. 980–987, 2013.
BLUM, J. Exploring Arduino. New York: John Wiley, 2013.
BRUNETTI, F. Mecânica dos fluidos. 2. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008.
CAMPOS, M. A. S. Aproveitamento de água pluvial em edifícios residenciais multifamiliares na cidade de São Carlos. 2004. 145 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2004.
CAMPOS, M. A. S. et al. Sistema de aproveitamento de água pluvial: aspectos qualitativos e quantitativos. In: SIMPÓSIO NACIONAL DE SISTEMAS PREDIAIS, 10., 2007, São Carlos. Anais […]. São Carlos: UFSCar, 2007.
CERQUEIRA, W. F. Energia solar. Disponível em: http://www.brasilescola.com/geografia/energia-solar.htm. Acesso em: 2 set. 2025.
CHRISTIANSEN, J. E. Irrigation by sprinkling. Berkeley: University of California, 1942. 124 p.
DILLY, R. O.; MENDES, L. F. C. Aplicação em tempo real de monitoramento de umidade e temperatura utilizando Arduino. Caderno de Estudos em Sistemas de Informação, v. 2, n. 1, 2015.
FOX, R. W.; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J. Introdução à mecânica dos fluidos. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014.
JACINTO, G.; MIRANDA, G.; LASKOSKI, G. Introdução à agricultura de precisão: conceitos e vantagens. Evince, v. 6, n. 1, p. 137–137, 2020.
MEYER, Gabriel Ladeira. Controle de sistemas de irrigação com monitoramento via programação. 2005. 79 f. Monografia (Graduação em Engenharia de Controle e Automação) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2005.
PORTO, Rodrigo de Melo. Hidráulica básica. 4. ed. São Carlos: EESC-USP, 2006. 540 p. ISBN 8576560844.
RODRIGUES, Leoncio Gonçalves; MEIRELES, A. Desenvolvimento de software e miniestação meteorológica com Arduino para monitoramento da umidade do solo, temperatura e umidade do ar. In: INOVAGRI II VIRTUAL MEETING, 2021.
1Docente do Curso Superior de Engenharia, Engenharia Ambiental e Sanitária da Fundação Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul-UEMS Campus Cidade Universitária de Dourados / Coordenador do Centro de Pesquisa em Materiais-UEMS. E-mail: dalton@uems.br
2Professor do Curso de Engenharia Ambiental e Sanitária-UEMS. E-mail: rgoliveira@uems.br
3Doutorando em Recursos Naturais-UEMS. E-mail: paulostringhini@gmail.com
4Discente de Ciência da Computação-UEMS. E-mail: Leandromad140@gmail.com
5Colaboradora em tradução -CEPEMAT. E-mail: larissalafontecarvalho@gmail.com
6Discente de Engenharia Mecânica-UFGD. E-mail: felipe.moises777@outlook.com
7Discente de Engenharia Mecânica-UFGD. E-mail: samuelferreirali@hotmail.com