Evolução de Sensores em Máquinas Agrícolas

Evolução de Sensores em Máquinas Agrícolas
Felipe Tozetto Costa1, Luis Miguel Schiebelbein3, Max Mauro Dias Santos2, Sergio Luiz
Stevan Jr.1,2
1
Programa de Pós Graduação em Computação Aplicada, Universidade Estadual de Ponta
Grossa, Ponta Grossa, Paraná, Brasil, [email protected], [email protected]
2
Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do
Paraná, Ponta Grossa, Paraná, Brasil, [email protected], [email protected]
3
Programa de Pós Graduação em Agronomia, Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta
Grossa, Paraná, Brasil, [email protected]
RESUMO
A evolução, em sua essência, contempla um processo contínuo de busca pela melhoria e pela
ampliação de uso, principalmente no tocante a máquinas e equipamentos. Os sensores e
atuadores em máquinas agrícolas, desde seu surgimento, tem acrescentado simultaneamente
melhoria nas atividades mecanizadas, além de facilitar o gerenciamento e controle de diversas
atividades. A possibilidade de resultados instantâneos, associada ao refinamento de controle e
ao aumento no número de informações geradas a cada atividade, repercutiram no avanço de
fronteiras agrícolas de forma a melhorar de maneira substancial a qualidade do produto final
obtido, além de permitir a otimização da utilização das máquinas. Aborda-se neste trabalho, o
caráter histórico da criação e evolução dos sensores, atuadores e demais equipamentos e
tecnologias embarcadas, englobando sistemas de posicionamento, guia e comunicação,
gerando desta forma, uma base de pesquisa para o desenvolvimento de novos sensores, em
suas diferentes formas de utilização e aplicação.
PALAVRAS-CHAVE: mecanização agrícola; controle; atuadores; comunicação.
ABSTRACT
Evolution, in its essence, comprises a continuous process of search for improvement and
expansion of use, especially with respect to machinery and equipment. The sensors and
actuators in agricultural machinery, since its inception, has simultaneously added
improvement in mechanized activities, and facilitate the management and control of various
activities. The possibility of instantaneous results associated with the refinement control and
increase in activity for each information generated, repercussions in advance agricultural
boundaries to improve substantially the quality of the final product, besides allowing the
optimization of the use machines. Discusses in this work, the historic character of creation
and development of sensors, actuators and other equipment and embedded technologies,
encompassing positioning systems, guide and communication, thus generating a research base
for the development of new sensors in their different forms of use and application.
KEYWORDS: agricultural mechanization; control; actuators; communication.
INTRODUÇÃO
A aplicação e utilização de máquinas agrícolas tem sido, desde seu surgimento, um fator de
suma importância para a maximização do processo produtivo. Além de ampliar as fronteiras
agrícolas e otimizar metro a metro quadrado de área, a mecanização resultou em
potencialização dos postos de trabalho, pois com a revolução industrial, se fez necessário cada
vez mais a especialização dos colaboradores e a otimização dos processos.
Apesar do avanço tecnológico observado nos últimos anos, por certo, a inclusão dos
sensores e atuadores resultaram em ainda maior qualidade das atividades desenvolvidas,
associado além do controle o monitoramento destas.
Outrossim, a aplicação de sensores na agricultura, em específico na mecanização,
torna-se hoje peça chave e resultado de um processo contínuo de desenvolvimento. Espera-se
que, cada vez de forma mais simples, barata e aplicada, a sua utilização resulte em melhoria
dos processos, aumento da eficiência e qualidade dos produtos obtidos.
A evolução dos sensores em máquinas agrícolas é abordada aqui, de forma a
contextualizar sua origem, história e aplicações, de maneira a facilitar o entendimento do
leitor e, porque não, estimular a criação de novos tipos e aplicações.
Surgimento das Máquinas Agrícolas
Até o século XVIII, o uso de ferramentas na agricultura ocorria de forma rudimentar e com
baixa produtividade, fabricados com base em ferro e madeira, criados de forma meramente
artesanal. Entretanto, com o crescimento populacional vertiginoso na Europa em meados do
século XIX, unido á revolução industrial e a grande demanda por alimentos, houve a
necessidade do aumento da produção agrícola (DERRY; WILLIAMS, 1977).
Os primeiros implementos utilizados na agricultura foram criados simultaneamente na
Grã-Bretanha e Estados Unidos em meados de 1780, utilizados na colheita de grãos.
Primeiramente foram desenvolvidos para serem utilizados por tração animal, e naturalmente
passaram por um processo evolutivo pesado antes de servirem para produções em escala.
Entre os anos de 1830 a 1860, as principais e mais relevantes invenções foram a
criação de implementos para a colheita de trigo e feno.
Na segunda metade do século XVIII, a Europa (principalmente a Inglaterra) deixou de
ser o principal inovador na agricultura, para que países como Argentina, Estados Unidos e
outros centros passaram a ser importantes produtores (VIAN; JUNIOR, 2010).
Estados Unidos como polo de desenvolvimento agrícola no século XIX
Os Estados Unidos foram os grandes responsáveis por avanços no desenvolvimento
tecnológico em equipamentos agrícolas. Isso se deve por haver um desenvolvimento em
diversas áreas no país na mesma época, juntamente com a visão de pessoas como George
Washington e Thomas Jefferson. Aquele buscou auxílio do britânico Arthur Young, que era
um defensor da inovação tecnológica na agricultura. Este desenvolveu uma série de utensílios
agrícolas e projetos de semear, sempre buscando inovações mecânicas que auxiliassem a
agricultura (RAMUSSEIN, 1983).
Outro fator importante para alavancar o desenvolvimento nesta época foi o solo
americano propriamente dito, onde nas pradarias, os arados de madeira não deslizavam de
maneira eficiente. Para resolver o problema, o ferreiro John Deere desenvolveu em 1837
arados de ferro liso que funcionaram bem neste tipo de terreno.
Com o desenvolvimento de máquinas de tração animal que aravam, semeavam e
cobriam em uma mesma operação, houve o início de produções em escala e consequente o
encorajamento de inovações, tanto para o milho quanto para outras culturas. O momento de
inovação estava em um estágio importante em função da mão de obra escassa devido ao
deslocamento populacional para as cidades ocasionado pela Revolução Industrial tanto na
Europa como nos Estados Unidos (VIAN; JUNIOR, 2010).
Segundo Rasmussen (1983), a guerra civil norte americana foi também um grande
fator para o progresso. Isso por que nela ocorreu um grande esforço para que houvesse a troca
da mão de obra humana e tração animal para equipamentos mecânicos. Nesse quesito,
acabaram sendo eles os pioneiros no uso de tratores, grandes trilhadoras e colheitadeiras
movidas a vapor que conseguiam uma colheita de trigo em 12 hectares com um dia de
trabalho. Em meados de 1880, no estado norte americano da Dakota, fazia-se a técnica de
aração em grande escala. Estes eram montados em pequenos carros sobre duas rodas, onde
um homem direcionava quatro cavalos que geravam a tração para o cultivo de imensas áreas.
Em 1862, o então Presidente Norte Americano Abraham Lincoln criou a Lei Da
Propriedade Rural, que determinava a transferência de terras dos estados. Essa lei, juntamente
com a construção de grandes estradas de ferro, possibilitou para que os agricultores, tanto os
grandes quanto os pequenos, pudessem criar uma agricultura mecanizada na época. Em 1880,
no estado da Dakota do Norte, já existiam alguns fazendeiros se utilizando de tratores a vapor.
Essa tendência de mecanização firmou-se no final do século XIX, com as empresas de
máquinas agrícolas na Europa como nos Estados Unidos, com aumento de produção
(FONSECA, 1990).
Evolução dos Tratores – Até década de 1970
Os primeiros tratores se assemelhavam a máquinas movidas a vapor do século passado. O
primeiro trator a gasolina se data de 1892 (ver Figura 1), construído por Froelich que vendeu
o projeto para Jhon Deere, servindo como base para os seus primeiros tratores. Já a primeira
fábrica de tratores foi criada no estado norte americano de Iowa no ano de 1905, criada por
um grupo de Pesquisadores da Universidade de Wisconsin (FONSECA, 1990).
Figura 1 – Reprodução do Trator de Froelich do ano de 1892.
Imagem Trator Froelich. Disponível em: <http://tractors.wikia.com/wiki/Tractor>
Até o período da Primeira Guerra Mundial (1914 a 1918) a evolução dos tratores foi
pequena, entretanto pode-se citar como grandes avanços a introdução do motor a querosene e
ignição por magneto.
O primeiro trator que pode-se citar como sucesso no quesito vendas foi o Fordson,
montado pela Ford em 1917, um dos primeiras máquinas agrícolas desenvolvidas em escala
industrial. Entre 1918 e 1925, este modelo representou 70% da venda de tratores nos Estados
Unidos (FONSECA, 1990).
Por volta de 1920, após alguns programas de incentivo do governo norte americano,
ocorreu uma aceleração no processo de mecanização na agricultura deste país.
Dos anos de 1920 a 1940 quem se destacou foi o trator Lanz Bulldog (ver figura 2),
que podia ser operado com gasolina ou óleo vegetal. Neste período, também cita-se como
avanço o surgimento de trator com tração nas quatro rodas. Outra característica evolutiva foi a
troca das rodas de ferro pelas de borracha pneumáticas, que trouxeram um maior conforto ao
condutor, melhor estabilidade do trator e maior capacidade de tração. Fatores estes que
facilitaram a comercialização desse tipo de trator. (FONSECA, 1990).
Figura 2 – Trator Lanz Bulldog.
Imagem Trator Lanz Bulldog. Disponível em: <http://www.ssplprints.com/image/89123/exton-david-lanzbulldog-tractor-c-1930>
A partir de 1945, inovações pneumáticas e eletrônicas começaram a aparecer com
maior importância neste setor. Data-se de 1947 o desenvolvimento do sistema hidráulico de
engate de “três-pontos”, o que, além da melhoria da utilização do maquinário, possibilitou o
trabalho com um número maior de implementos. Antes da utilização deste engate de “três
pontos”, quando o trator estava em operação em determinados tipos de terrenos, havia a
tendência do maquinário virar por conta da resistência do solo. Segundo Kudrel (1975), este
tipo de sistema representa uma evolução notável no conjunto trator/implemento. Esta
melhoria foi patenteada pela Fergunson e inserida em seus modelos, onde em 1950 tiveram
permeabilidade comercial em diversos locais, como Europa, Estados Unidos e América do
Sul.
Após 1950, houve uma convergência entre os mercados globais. Os tratores eram
parecidos, em alguns casos com sistemas (hidráulico, de embreagem) feitos pelo mesmo
fabricante. Este fato se deve também á criação de agências reguladoras e associações na
Europa e Estados Unidos, criando regras e padrões para as peças e produtos, que tornou os
nichos de mercados mais homogêneos ao redor do mundo.
Nos anos de 1960 a 1970 foram apresentadas diversas inovações e melhorias, o que
auxiliou na ampliação do número de modelos e da potência de motor, também com melhorias
no sistema de transmissão, sistema eletrônico de combustível e início do estudo da inclusão de
sensores nos veículos visando o progresso da produção.
Utilização das Máquinas Agrícolas no Brasil – Até a década 1970
No Brasil, as primeiras máquinas agrícolas foram importadas na década de 30. Todavia, pela
dificuldade da importação e do alto preço, foram poucos os agricultores que conseguiram
trazer implementos da Europa ou Estados Unidos para o país. Data-se que a primeira colheita
mecanizada realizada no Brasil acorreu em 1932, no estado do Rio Grande do Sul.
Logo após o término da Segunda Guerra Mundial, pode-se notar um sensível avanço
na mecanização agrícola no País. Com o retorno do comércio entre os países e as facilidades
do governo brasileiro com taxas cambiais e financiamentos, ocorreu um aumento relevante
nas importações de equipamentos agrícolas para o Brasil.
Essas importações foram realizadas de maneira desenfreada, principalmente de
máquinas para indústrias que não possuíam tradição na agricultura, bem como de
equipamentos que não eram desenvolvidos para nossos tipos de solo. Em decorrência a isso,
era comum que estas máquinas agrícolas apresentassem diversos problemas após poucas
horas de utilização. Outro fator negativo desta época era enorme ausência de peças de
reposição e de mão de obra especializada para a manutenção do maquinário que era
importado.
A década de 60 foi marcada pela substituição do modelo de importações de tratores e
implementos para a modernização do setor agrário nacional, fato em conjunto com a
formação do Complexo Agroindustrial Brasileiro (TEIXEIRA, 2005).
Com a criação do Estatuto da Terra (Lei 4504) no ano de 1964, houve a extinção do
latifúndio e do minifúndio, surgindo assim à denominação de empresa rural (MOREIRA,
1990).
Apesar de uma economia brasileira modificada, o crescimento não se deu de maneira
uniforme e com a rapidez esperada. Conforme Neto (1997), a lentidão aumentou entre os anos
de 1965 e 1967, devido às modificações feitas pelo regime militar que regiam o país naquela
época.
A tabela 1 ilustra o aumento do uso de tratores no Brasil a partir da década de 1950.
Percebe-se o constante crescimento do número de tratores em uso. Esse acréscimo foi um
indicativo de mudança nos moldes produtivos do país. Nota-se também que nos anos de 1995
até 2006 houve uma diminuição na taxa de crescimento do número de tratores no Brasil. Até a
finalização deste trabalho o censo agropecuário mais recente disponível nos Censos
Agropecuários do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) é o do ano de 2006.
Tabela 1 - Tratores no Brasil
Anos
Número de Tratores
1950
8.372
1960
61.338
1970
165.870
1980
527.906
1985
665.280
1995
799.742
2006
820.673
Fonte: Censo Agropecuário IBGE - 2006.
Sensores em Máquinas Agrícolas
Assim como a troca da tração animal pela mecânica, a melhora na mecanização e início da
utilização de sensores em máquinas agrícolas possibilitou novos horizontes no cultivo.
A figura 3, da Universidade norte americana de Auburn, demonstra em gráfico o
aumento da produção de algodão nos Estados Unidos após a mecanização da agricultura na
década de 60.
Figura 3 - Aumento da produção de Algodão nos Estados Unidos.
Fonte: Adaptação. (MITCHELL; DELANEY; BALKCOM, 2008).
A primeira utilização de sensores em máquinas agrícolas data-se na metade da década
de 60, era a primeira vez que um sensor eletrônico era instalado para melhoria de
desempenho, sua função era monitorar o espaçamento de sementes, antes dos sensores esse
processo era feito manualmente e gastava tempo do agricultor (REID, 2011).
Na década de 80, ocorreu a inserção de sensores já utilizados na indústria automotiva
nos veículos agrícolas além de outros sensores de fins agrícolas (como temperatura, umidade,
entre outros). Foi uma década de grandes estudos e avanços na área da eletrônica e
microcomputadores, que posteriormente viria a se tornar imprescindível na evolução dos
sensores.
Na década de 90 com o surgimento de sistema de posicionamento global (GPS), foram
realizados diversos avanços. Fator que somente aumento com o crescimento da agricultura de
precisão.
ESTADO DA ARTE
Sistemas de Direcionamento Via Satélite
Por volta da virada do século XXI, a tecnologia se tornou tão precisa que fornecia o
posicionamento com uma possível diferença na casa de centímetros. Estes avanços
tecnológicos de GPS, juntamente com sensores de posição e de variação angular,
possibilitaram o desenvolvimento de sistemas utilizados para auxiliar a direção de veículos
agrícolas e em alguns casos na automatização da direção.
No início da implantação dessa tecnologia era traçada uma rota para o veículo em seus
sistemas, e por meio dos sensores e do sinal do GPS era analisada a rota que deveria ser
traçada. Com isso o motorista era avisado por meio de sinais sonoros e/ou visuais do
andamento da rota. (REID, 2011)
Atualmente, a tecnologia já pilota o veículo através de uma rota pré-definida e a função
do operador fica somente para manobras de cabeceiras. Essa tecnologia já é amplamente
utilizada nos Estados Unidos, mas no Brasil não podemos comprovar uma utilização notável.
Os principais fatores positivos dessa tecnologia são a diminuição dos erros do operador
e a possibilidade de direção com pouca iluminação (ou em condições de tempo menos
favoráveis).
Segundo Mulla (2013), um dos principais desafios para o uso do sensoriamento remoto
via satélite são a dificuldade da coleta de imagens em dias com muitas nuvens e a necessidade
da calibragem em solo dos equipamentos.
A utilização de GPS facilita a agricultura de precisão tanto no preparo da terra, quanto
no controle de pragas ou na colheita das culturas. Abaixo, exemplifica-se a utilização de
sensoriamento, automação e georeferenciamento em uma aplicação de pulverização.
a) Controle de Seções em Pulverizadores
Outra demanda que está sendo auxiliada com o direcionamento via satélite é o controle de
seções em pulverizadores. A importância dos defensivos agrícolas é grande na lavoura, e a
possibilidade da utilização somente onde é necessária é uma forma de redução de custos e
melhoria na qualidade da colheita (REYNALDO; MOLIN, 2011).
Diversas empresas desenvolvem e implementam esse sistema em pulverizadores de
diversas marcas e modelos. Neste artigo, este item além de direcionamento via satélite, pode
ser relacionado como sensores com controle automático. Seguem na figura 4 os itens
necessários para o funcionamento do sistema.
No sistema guia são configuradas as áreas que devem receber os defensivos. A antena
de GPS envia dados simultâneos para que o controlador automático abra ou não a válvula
elétrica de liberação do defensivo em cada seção, dependendo do que foi previamente
configurado.
Figura 4 - Itens do controle de seções.
Fonte: Adaptação, (REYNALDO; MOLIN, 2011).
Sensores com Controle Automáticos
Além de diversos avanços efetuados com o auxílio da tecnologia GPS, outros estudos também
resultaram em modernização e melhoria de resultados, como nos sensores de solo, sensor para
controle de animais. Seguem alguns exemplos:
a) Controle de corte de plantas forrageiras: quando o comprimento do corte na
colhedeira é realizado de maneira estática, podem ocorrer desperdícios e dificuldade do
armazenamento. Para isso, foram desenvolvidos sensores que medem a umidade e ajustam o
comprimento do corte da colheita automaticamente. Segue figura 5, que demonstra o
HarverstLab, um sistema da John Deere para controle do corte.
Figura 5 - Demonstração Sistema HarvestLab.
Fonte: Adaptação, (REID, 2011).
b) Sensor de Controle de Altura de Barra de Pulverização: Um dos problemas que
pode ocorrer quando se pulveriza é que com terrenos muito acidentados o equipamento pode
sofrer stress ou ocorrer muito desperdício do defensivo. Outra dificuldade é sobre o ajuste
manual da altura da barra, que leva muito tempo do condutor.
Analisando essas dificuldades, empresas desenvolvem sensores que controlam a altura
da barra de pulverização de forma automática. Esse sensor é instalado na base da barra,
verificando a altura da barra com o solo e em caso de diferença com o padrão definido, ele
aumenta ou abaixa a barra através de sistema hidráulico instalado. Segue na figura 6
demonstrativo desse sistema com o sensor em destaque.
Figura 6 - Demonstração Sistema para controle de altura da barra pulverizadora.
Controle de altura da barra pulverizadora. Disponível em:
<http://ag.topconpositioning.com/sites/default/files/image_NORAC_rotagor.png>.
c) Controle de Suínos: Citamos Dan et. Al (2014), que desenvolveram um sistema
para controle de uma fazenda de suínos através de diversos sensores. Sensores de temperatura,
iluminação, quantidade geram dados e passam para uma central de operações, que envia
comando para atuadores, apagar ou acender a luz, liberar comida, controlar temperatura entre
outras operações. Esse tipo de sistema automatiza muito o processo e pode ser aplicado para
diversas atividades.
Comunicação Entre Máquinas
Os equipamentos agrícolas recentes geram uma grande quantidade de informações, como
posicionamento, dados sobre a operação, entre outros. No entanto, o importate é que estes
dados não estajam somente a bordo do veículo ou no hardware do equipamento, devem estar
em comunicação com centrais de operação agrícola e outros equipamentos, com isso
buscando o aumento do potencial de produção.
Neste sentido, a utilização de sistemas de rede wirelles entre as máquinas para a
transmissão dos dados possui bastante evolução e utilização. Pode-se citar Gao, Zhang e Chen
(2013), que para resolver um problema de perda de nitruentes do solo e desperdício de aguá
em uma propriedade na China, desenvolveram um sistema de irrigação automático através de
rede de sensores wireless. Nese sistema alguns pontos de coletas se comunicam diretamente
com uma central de monitoramento via wireless e trocam informações sobre os atributos do
solo e dependendo da análise o sistema passar a informação para iniciar a irrigação daquela
parte do terreno.
Como próximo passo para os sensores podemos citar a criação de centrais de
informação dentro das fazendas, essa central coleta as informações em tempo real de todos os
veículos e implementos da fazenda. Além de um estudo completo sobre a produtividade da
fazenda, pode realizar análises por cultivo por metro quadrado. Outro ponto que pode ser feito
um estudo sobre a vidá útil dos veículos e equipamentos, trazendo um quadro completo para a
melhor tomada de decisões.
CONCLUSÕES
A evolução das máquinas e equipamentos agrícolas ocorreu de maneira simultânea à evolução
da própria agricultura. Como em outras áreas, a agricultura e a mecanização se apropriaram
de técnicas, tecnologias e processos desenvolvimentos, muitas vezes de maneira não
específica, valendo-se deles para a melhoria e agilidade de seus processos.
Cada vez mais os sensores e atuadores têm se tornado essenciais nas operações
mecanizadas na agricultura, migrando, num futuro próximo ao que se imagina, para um
processo quase que totalmente autômato de ação e gestão. Cabe aos agricultores, técnicos e
engenheiros, fazer o uso racional da tecnologia disponível, inovando-a e adequando-a
conforme a necessidade.
REFERÊNCIAS
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