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Title: Automação agrícola: integração de hardware e software para o controle da irrigação por sulco.
Other Titles: Agricultural automation: hardware and software integration for furrow irrigation control.
???metadata.dc.creator???: TURNELL, David John.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: DEEP, Gurdip Singh.
FREIRE, Raimundo Carlos Silvério.
???metadata.dc.contributor.referee1???: CALÔBA, Luiz Pereira.
???metadata.dc.contributor.referee2???: BURIAN JÚNIOR, Yaro.
???metadata.dc.contributor.referee3???: SARAIVA, Antonio Mauro.
???metadata.dc.contributor.referee4???: PRECKER, Jurgen Wolfgang.
???metadata.dc.contributor.referee5???: LIMA, Antonio Marcus Nogueira.
Issue Date: 5-Nov-1999
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: TURNELL, David John. Automação agrícola: integração de hardware e software para o controle da irrigação por sulco. 1999. 165f. (Tese de Doutorado em Engenharia Elétrica), Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal da Paraíba – Campus II - Campina Grande - PB - Brasil, 1999.
???metadata.dc.description.resumo???: Em torno de 20% da área mundial cultivada depende da irrigação. Uma das modalidades de irrigação, popular nas regiões semi-áridas, inclusive no Nordeste do Brasil, e a irrigação por sulco. Apesar de sua popularidade, este tipo de irrigação se caracteriza por uma baixa eficiência no uso da água, quando o controle e manual. A automação da irrigação por sulco restringe-se tipicamente ao acionamento de válvulas e comportas, em tempos predeterminados, com a finalidade de direcionar o fluxo de agua entre parcelas irrigadas. Para aumentar a eficiência da irrigação por sulco e torna-la mais viável em regiões semi-áridas, investigou-se nesta tese alternativas de hardware e software para a automação do gerenciamento do uso da água. Propôs-se então o desenvolvimento de uma abordagem de controle automático distribuído baseada em um conjunto de estratégias de controle baseado na detecção, em tempo real, da presença de água em múltiplos pontes de uma área irrigada. Três das estratégias de controle foram propostas visando otimizar o uso da agua na irrigação por sulco. Duas destas estratégias baseiam-se no emprego de simulação como suporte ao algoritmo de controle. Uma destas estratégias, 'Análise de Avanço', consiste na otimização da entrada de agua com base em um conjunto de coeficientes de infiltração de agua no solo. Estes coeficientes são identificados em tempo real, durante a primeira fase da irrigação, a partir de dados de avanço da água, conforme uma técnica proposta por Engenheiros Agrícolas. A estratégia de otimização 'Escoamento residual', busca minimizar o escoamento da agua nos finais dos sulcos. A identificação dos coeficientes de infiltração se da a partir das características de avanço/recessão da água. Em qualquer das estratégias propostas, o algoritmo de controle implementa a variação do ciclo de trabalho da entrada de agua apoiado pelo hardware desenvolvido para o sensoreamento e controle distribuído e pelo software de suporte a gestão da irrigação, Este trabalho analisa a influencia exercida sobre o controle por erros no sensoreamento das condições de campo e erros nos parâmetros de entrada do modelo de irrigação adotado. Do ponto de vista de hardware, a partir da constatação da necessidade de métodos de telemetria, de baixo custo e de baixo consumo, para envio de dados sobre curtas distancias (1-2 km), foram desenvolvidas três redes de sensores para detectar a presença de agua no sulco e permitir o controle da entrada de agua no sistema de irrigação. Duas redes são baseadas em elementos sensores resistivos e uma rede e baseada em elementos sensores capacitivos. Foi também desenvolvida uma estação de campo, e os meios para comunicação entre estes elementos e a estrutura de controle (redes de sensores e computador central). O desenvolvimento do hardware levou em consideração a energização disponível no campo, as condições de ruído impostas a comunicação, a robustez necessária para operar nas condições hostis no campo e buscou oferecer uma relação custo beneficio que motivasse a adoção da automação da irrigação. Do ponto de vista de software, foi desenvolvido um sistema, denominado FarmWeb, com base no modelo 'Objeto-Ação', adotado por sistemas distribuídos, para oferecer suporte ao desenvolvimento de aplicações integradas de automação agrícola. Trata-se de um sistema que oferece aplicativos para controle em tempo real da irrigação por sulco, com recursos para a simulação e visualização simultânea, na forma gráfica, de dados sobre a evolução do processo de irrigação. O sistema também oferece mecanismos para comunicação entre aplicações, recursos para multiprocessamento e um conjunto de serviços de suporte as aplicações que facilitam o seu desenvolvimento. Este sistema se propõe a servir como 1) uma plataforma para estudos de alternativas de controle, a partir da simulação dos processos agrícolas a serem controlados, 2) uma base para o desenvolvimento de sistemas de controle que possam ser usados em aplicações reais, e 3) um ambiente didático, quando for utilizado em conjunto com programas para simulação de processos agrícolas. Nesta tese, foram investigados aspectos de integração de hardware e software que possibilitassem um controle distribuído e em tempo real visando a integração em um sistema mais abrangente de automação agrícola. A tese resultou no desenvolvimento tanto de hardware quanto de software que, devido as suas características, poderão ser aplicados no desenvolvimento de aplicações distribuídas em outros contextos da automação agrícola. As soluções propostas adequam-se também a um conceito de agricultura de precisão integrada, no qual diversos processos apoiados por grande numero de estações distribuídas no campo, comporiam um ambiente integrado de automação agrícola.
Abstract: Around 20% of the world's cultivated area depend upon irrigation. One type of irrigation, popular in the semi-arid regions, including those in the Northeast of Brazil, is furrow irrigation. In spite of its popularity, this type of irrigation is characterized by low water use efficiency when controlled manually. The automation of furrow irrigation typically is limited to the controlling of valves and gates, at predetermined times, to direct water between irrigated sets. To increase the efficiency of furrow irrigation and make it viable in semi-arid regions, this thesis research investigates alternatives in hardware and software for the automated management of water use. A development approach is proposed for distributed automated control based upon a set of control strategies based upon the detection, in real time, of the presence of water at multiple points in an irrigated area. Three control strategies were proposed that aim to optimize the use of water in furrow irrigation. These stratagies are based upon the use of simulation to support the control algorithm. On of these strategies, 'Advance Analysis', consists of the optimization of the water inlet based upon a set of water infiltration coefficients. These coefficients are identified in real-time, during the first phase of the irrigation, using water advance data. The technique utilized in the identification of the coefficients e adopted from Agricultural Engineering. The optimization strategy 'Runoff Control' aims at minimizing the runoff of water at the ends of the furrows. The identification of the infiltration coefficients arises from the advance/recession characteristics of the water. For all of the proposed strategies, the control algorithm implements the duty cycle variation of the water inlet supported by hardware for remote sensing and distributed control and by software for irrigation management support. The work analyzes the influence upon the control of errors in sensing of field conditions and input parameters for the irrigation model adopted. From the hardware point of view, based upon the need for low-cost, low-power telemetry method, for the transmission of data over short distances, three sensor networks were developed to detect the presence of water in the furrow and to allow the water inlet control of the irrigation system. Two of the networks are based upon resistive sensing elements and one network is based upon capacitive sensing elements. Also developed were a field station and the means of communication between these elements and the control structure (sensor networks and central computer). The development of hardware took into consideration the powering available in the field, the noise conditions imposed upon the communication, the robustness necessary to cope with the hostile field conditions and the need to offer cost-effectiveness to motivate the adoption of irrigation automation. From the software point of view, a system called Farm Web was developed based upon the object action model adopted for distributed systems, in order to offer support to the development of integrated agricultural automation applications. Farm Web is a system that offers: applications for the real-time control of furrow irrigation, with features for the simulation and simultaneous visualization, in graphical form, of the progress of the irrigation process; mechanisms for communication between applications; multiprocessing support, and a set of application support services that aid their development. This system is offered as 1) a platform to study control alternatives based upon simulation of the agricultural processes to be controlled, 2) a base for the development of control systems that can be used in real applications, and 3) a research environment for use with agricultural process simulators. Investigated in this research were aspects of hardware and software integration which allow distributed real-time control with the objective of creating an agricultural automation system with broad capabilities. This thesis research resulted in the development of both hardware and software, that due to its characteristics, can be applied to the development of distributed applications in other contexts of agricultural automation. The proposed solutions are compatible with the concept of integrated precision agriculture, in which diverse processes backed by a large number of field stations, embody an integrated agricultural automation environment.
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/10532
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