Módulos com vários sensores facilitam os desafios de projetos de agricultura indoor

agricultura indoor

A agricultura de ambiente controlado (CEA, também chamada de agricultura vertical devido às instalações de vários andares que abrigam as plantações e a infraestrutura) é um nicho promissor. Ao abraçar a Industrial Internet of Things (IIoT) e empregar ambientes totalmente fechados e controlados pelo clima para eliminar fatores externos, como doenças, pragas ou variações sazonais do clima, a produtividade de plantas como verduras, ervas e tomates pode se multiplicar drasticamente. A tecnologia não depende de terra arável e é, portanto, adequada para se estabelecer em qualquer lugar - incluindo o centro das comunidades urbanas.

 

Por trás dos altos rendimentos gerados pela agricultura vertical estão alguns desenvolvimentos de engenharia eletrônica de ponta que incluem sensores sem fio, rede mesh e conectividade em nuvem. A infra-estrutura é vital para o sucesso de uma empresa da CEA, mas acrescenta custos devido ao projeto, comissão e configuração complexos e demorados. A especialização em engenharia necessária para construir e os custos para comprar o CEA de hoje limita sua adoção a organizações grandes e ricas e desestimula a disseminação da tecnologia para locais onde poderia ter o maior impacto, como no mundo em desenvolvimento. No entanto, os fabricantes de eletrônicos estão trabalhando duro para mudar essa tendência, introduzindo produtos que combinam múltiplos sensores, que são essenciais para o sucesso da agricultura vertical, em um único módulo, tornando muito mais fácil implementar e reduzir custos.

 

Uma empresa complicada

 

Enquanto a agricultura vertical está ganhando força, como este mercado global de CEA atingiu cerca de US$ 1,5 bilhão em 2016 e projeta crescimento de cerca de US$ 6,4 bilhões até 2023, sua adoção está atualmente limitada a países ricos, informou a empresa de estatísticas Statista. A MarketsandMarkets, analista de pesquisa, observa que China, Japão, Cingapura, Estados Unidos (EUA) e Holanda são os maiores participantes. Da mesma forma, embora os LEDs, os sensores sem fio, a conectividade com a Internet e os recursos de software e hardware on-line necessários para a agricultura vertical sejam comprovados e acessíveis, as grandes implementações comerciais são raras. Uma das principais razões para a relativa escassez é que os sistemas CEA são desafiadores para projetar e implementar.

 

O sucesso da agricultura vertical depende do gerenciamento preciso e da manutenção do ambiente de uma fazenda. Ao controlar fatores como intensidade de luz e comprimentos de onda, temperatura, umidade, fluxo de ar e CO2 e concentrações de compostos orgânicos voláteis (VOC), os supervisores podem garantir que as plantas cresçam o mais rápido possível, mantendo seu valor estético, gustativo e nutricional para os consumidores. Por exemplo, a pesquisa mostrou que o movimento constante do ar (a uma pressão de vapor constante) na faixa de 0,3 a 0,5 mps fornece uma ótima difusão de CO2 e vapor de água nas folhas para ajudar a fotossíntese e maximizar o crescimento de folhas verdes saborosas.

 

Esse gerenciamento delicado das condições de crescimento exige a supervisão de sistemas de controle de processos de circuito fechado baseados em computador que empregam sensores que enviam dados sem fio para um computador de supervisão que está na instalação ou em um local remoto. Se uma leitura do sensor detectar um desvio a partir de uma taxa de difusão ideal, o computador de supervisão pode fazer os ajustes apropriados para restaurar as condições de volta ao nível desejado. A conectividade garante que o sistema retenha todos os dados e possa usá-lo para calcular quais condições provam ser as melhores para o crescimento de uma determinada planta.

 

Por exemplo, os cientistas do CEA da AeroFarms, sediada em Newark, Nova Jersey, monitoram mais de 130.000 pontos de dados a cada safra. Os técnicos então usam as informações juntamente com a análise preditiva para revisar, testar e aprimorar os sistemas de crescimento para a próxima safra.

 

Engenharia Eletrônica CEA Simplificada

 

Um sistema de sensores sem fio, em rede fechada, para uma única variável é um desafio a ser implementado, mas a dificuldade se multiplica significativamente quando o controle se estende a múltiplas variáveis que determinam o sucesso do CEA. Esses desafios incluem:

  • Financiamento da instalação e manutenção de grandes populações de sensores;
  • Construir e verificar sistemas baseados em sensores e as redes mesh associadas;
  • Comissionamento e configuração de vários tipos de sensores;
  • Garantir comunicações livres de conflitos em grandes redes e;
  • Gerenciamento de energia para populações de sensores difundidas.

 

Uma solução para esses desafios de engenharia do CEA está chegando na forma de uma introdução comercial de módulos que integram vários sensores em um único módulo. Produtos como o módulo de sensor AmbiMate da TE Connectivity fornecem vários sensores em uma montagem de placa de circuito impresso (PCB) pronta para ser instalada para fácil integração em um produto host. Cada um dos módulos combina quatro sensores principais (ou seja, movimento, luz, temperatura e umidade), enquanto variantes podem adicionar recursos de CO2, VOC e som (microfone).

 

Os sensores estão ligados a um único microprocessador integrado e utilizam uma única fonte de alimentação. O microprocessador embutido é equipado com uma interface I2C que torna a conexão a um transceptor sem fio para transferências de dados relativamente simples. Cada variante de módulo é fabricada na mesma base, tornando simples para os designers trocar para uma mistura de sensores diferente quando for necessário. Finalmente, os sensores integrados são capazes de medir parâmetros com a precisão necessária para o CEA. Por exemplo, os sensores de temperatura e umidade oferecem precisão de medição de ± 0,3 ° C e ± 2% de umidade relativa (UR), respectivamente, e uma taxa de aquisição de um segundo (Figura 1).

 

Figura 1: Módulo MS4 sensor AmbiMate da TE Connectivity série A é tem base comum, facilitando para os designers personalizar produtos finais para uma aplicação específica. (Fonte: TE Connectivity)

 

Ao integrar vários sensores em um único módulo, produtos como a série MS4 da AmbiMate podem reduzir o número de nós em um sistema de controle de processos da CEA e facilitar muitos dos principais desafios de engenharia. Menos nós levam a redes mais simples e a menores níveis de complexidade e custo, além de acelerar testes, configurações e comissões.

 

Incentivo à agricultura vertical

 

A agricultura tradicional já consome 40% da terra do planeta e encontrar mais espaço para o cultivo requer o corte de valiosas florestas tropicais. No entanto, de acordo com o jornal norte-americano Newsweek, a produção de alimentos precisará se expandir em 70% até 2050 para alimentar uma população global prevista de quase 10 bilhões.

 

De acordo com a CEA Global Association, a agricultura vertical é a resposta porque combina as ciências da agricultura, engenharia e tecnologia para cultivar alimentos frescos em ambientes escalonados e sustentados 365 dias por ano e em locais onde o clima e ambientes externos limitariam ou impossibilitariam produção de alimentos frescos. Além disso, localizar a produção de alimentos frescos perto das populações urbanas é inteligente e eficiente. Ao integrar a agricultura e a engenharia, a conservação de recursos finitos, como água, terra arável e energia, torna-se viável.

 

Conclusão

 

Não há dúvida de que o CEA é uma tecnologia promissora, considerando que as instalações de melhor desempenho produzem rendimentos anuais que se aproximam de 400 vezes mais do que a área equivalente de terras agrícolas tradicionais. Ainda assim, é um empreendimento incipiente, e as barreiras à entrada são atualmente tão altas que nada além de nações muito ricas são excluídas da adoção da tecnologia. As barreiras são altas porque o sucesso da CEA depende muito de tecnologia que atualmente é complexa e cara. A introdução de módulos com vários sensores, como o AmbiMate da TE Connectivity, é um passo significativo no caminho para simplificar a engenharia baseada em CEA e liberar a tecnologia para ajudar ainda mais e alimentar o mundo.

 

Artigo escrito originalmente por Steven Keeping para Mouser Electronics: Multi-Sensor Modules Ease Indoor Agriculture Design Challenges.

 

Traduzido por Equipe Embarcados.

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