Problemas de Escassez de Água Resolvidos com Irrigação Agrícola Avançada

Durante a última década, os controles de irrigação agrícola se tornaram cada vez mais sofisticados. Agora, muitos produtores substituíram os tradicionais temporizadores de irrigação e reguladores hidráulicos por componentes avançados de controle e conectividade adaptados daqueles para aplicações industriais — incluindo sistemas que empregam controladores lógicos programáveis (PLCs), PCs industriais e componentes de automação cada vez mais econômicos com a capacidade de se conectar e alavancar protocolos comuns de comunicação industrial. Esses controladores e componentes podem aceitar entradas de fontes incluindo sensores de umidade do solo, estações meteorológicas e sensores de congelamento para solicitar respostas adaptativas para a agricultura digital em tempo real.

Além disso, esses sofisticados sistemas de controle de irrigação estão agora se tornando mais acessíveis... mesmo enquanto o uso de dados para otimizar a irrigação tem se tornado cada vez mais inteligente.

Figura 1: a empresa de equipamentos de manutenção e cultivo agrícola Toro vende os sistemas de irrigação agrícola Tempus Automation que utilizam conectividade 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth. A estação base permite aos produtores controlar válvulas e dispositivos de monitoramento dentro de uma bolha de até 1,6 km. Estações base podem ser facilmente adicionadas para ampliar o alcance; todas podem ser alimentadas por energia solar ou pela rede. (Fonte da imagem: The Toro Co.)

A conservação da água é cada vez mais imperativa à medida que o clima aquece, as regiões se tornam mais áridas, a população aumenta e os aquíferos se esgotam. Na verdade, a água logo poderá se tornar o principal recurso crítico, assumindo mais importância geopolítica do que o petróleo no século 21 — talvez até mesmo desencadeando as guerras do futuro. Questões relacionadas à água já existem há muito tempo no Oriente Médio. Essa região se tornou progressivamente mais árida desde o nascimento da civilização e agora suporta 5% da população mundial com apenas 1% da água doce do mundo.

Figura 2: irrigação em estufas e irrigação de culturas em fileiras ao ar livre com base em sistemas de microspray e outros métodos de gotejamento se beneficiam de controles avançados de irrigação. (Fonte da imagem: Getty Images)

De uma perspectiva empresarial, a escassez de água se reflete em preços mais altos de alimentos e produtos agrícolas, com os preços da água subindo mais rapidamente do que a energia na última década. Para esclarecer — tornou-se essencial tanto para operações comerciais em larga escala quanto para operações agrícolas pequenas minimizar o consumo de água enquanto se maximiza o rendimento das colheitas.

Mecanismos controláveis de irrigação e cultivo

Os requisitos para controladores de irrigação dependem da aplicação e do tipo de sistema — seja baseado em aspersores, irrigação por gotejamento ou circuitos de irrigação hidropônica.

Figura 3: os sensores de dióxido de carbono da série T3000 possuem coberturas IP67 para suportar a umidade, sujeira e exposição a fertilizantes em operações internas de agricultura vertical. Sua realimentação pode informar as rotinas de irrigação hidropônica automatizada e de fertirrigação. (Fonte da imagem: Amphenol Telaire)

A irrigação de culturas cultivadas em estufas pode ser muito bem controlada; sem a variabilidade do ambiente externo, a luz, a água, a fertilização e a composição do solo podem ser mantidas consistentemente dentro das tolerâncias. A irrigação é sempre baseada em um reservatório alimentado por bomba e um circuito de irrigação baseado em bandejas... com quase nenhuma água perdida por evaporação e nenhuma perdida por vazamento. As opções de software são abundantes para culturas específicas; esses programas incorporam o conhecimento do setor sobre os ciclos de crescimento das espécies vegetais e os parâmetros de cultivo preferidos.

Figura 4: uma cobertura IP67 torna as luzes WIL particularmente adequadas para aplicações de fazenda digital em interiores. (Fonte de imagem: Weidmüller)

Para a agricultura tradicional ao ar livre, os aspersores são os equipamentos de irrigação mais utilizados, com projetos que vão desde pequenos aspersores de grama (semelhantes aos empregados nos gramados residenciais) até aspersores industriais de alta pressão acionados por motores elétricos ou bombas a diesel. Esse último inclui sistemas maciços de movimentação linear capazes de irrigar campos abertos que se estendem por muitos hectares com suas grandes matrizes de aspersão.

Outro projeto comum em sistemas de irrigação automatizada para operações de grande escala é o de aspersores de impacto. As variações simplificadas desses também são vendidas como produtos de consumo para irrigação de gramados. Em resumo, os aspersores de impacto consistem em um conjunto de cabeça que envia um jato de água que passa por um braço mecânico. A água é então repetidamente atingida pelo braço e espalhada sobre a cultura que está sendo cultivada. A pressão resultante e o movimento do braço mecânico empurra a cabeça em torno de um pivô, o que, por sua vez, faz com que o aspersor faça uma varredura em círculo ou arco parcial.

Uma última opção para a irrigação automatizada de culturas agrícolas é a irrigação por gotejamento. Seja com base nas chamadas matrizes de tubos vazados ou matrizes de cabeça de microspray, a irrigação por gotejamento reduz o uso de água (e especialmente aquela perdida por evaporação) ao entregar a água mais diretamente nas zonas radiculares das plantas.

Mais sobre irrigação agrícola com pivô central e movimento linear

A irrigação com pivô central é uma adaptação avançada da irrigação de culturas por aspersão. É uma das formas mais eficazes de irrigar grandes campos abertos, com sistemas típicos do setor capazes de cobrir um raio de 400 m em uma área de até 50 hectares (125 acres) ou mais. Os sistemas de irrigação com pivô central irrigam um circulo ou arco parcial girando um tubo de irrigação (com muitas cabeças aspersoras) ao redor de um pivô fixo. O tubo é transportado por múltiplas torres movidas ao longo do terreno por rodas motorizadas.

Figura 5: os controles de temporização são usados com sistemas de irrigação com pivô central para comandar os períodos básicos da água. Além disso, os monitores de subcorrente frequentemente supervisionam uma perna dos sistemas trifásicos nas torres dos sistemas de irrigação com pivô central. Tais monitores de subcorrente detectam torres paradas ou atoladas para evitar a rega excessiva. (Fonte da imagem: Littelfuse)

Entre as torres, o tubo de água é apoiado por uma treliça usando cabos por membros de tensão — muito semelhante aos suportes de uma ponte suspensa. Desenvolvidos nos anos 40, os sistemas originais de irrigação com pivô central utilizavam o fluxo de água para acionar as rodas. Hoje em dia, é muito mais comum que tais equipamentos dependam de motores elétricos para girar suas rodas para o movimento. A velocidade dessas rodas pode ser bastante lenta, pois pode levar alguns dias para que os controles do sistema comandem as rodas para completar uma revolução total.

Figura 6: o software AgSense (acessível como um aplicativo para dispositivos móveis e laptops) utiliza GPS e tecnologias de realimentação para ajudar os agricultores a rastrear a bomba de irrigação e componentes auxiliares, estado de fluxo e pressão, níveis de umidade do solo, condições climáticas, níveis dos tanques (onde aplicável) e evidência de roubo. A principal opção para sistemas automatizados de irrigação por pivô (mas também compatível com máquinas lineares), a oferta fornece informações e alarmes em tempo real e permite até mesmo o gerenciamento de uma frota mista de pivôs hidráulicos e elétricos. Essencialmente, o software permite funcionalidades de painel digital enquanto mantém a compatibilidade com painéis mecânicos de qualquer marca ou antigos. (Fonte de imagem: Valmont Industries Inc.)

Os sistemas de irrigação por pivô são máquinas grandes e surpreendentemente complexas que apresentam seus próprios desafios de controle distrital. As torres não se movem em uníssono, mas param e começam individualmente para manter o alinhamento aproximado da tubulação. A considerável flexibilidade do tubo juntamente com a das treliças que o suportam acomoda o movimento irregular das torres e as ondulações naturais no terreno.

Nos sistemas de irrigação por pivô, as seções das torres são controladas individualmente. Tradicionalmente, isso é conseguido com mecanismos simples e chaves fim de curso. Cada seção pode facilmente perceber seu ângulo em relação à seção seguinte monitorando a posição de uma alavanca acoplada à seção seguinte. As chaves fim de curso simples podem então partir, parar e mover para trás as rodas, de acordo com a posição angular relativa da próxima seção da torre. Tal abordagem é adequada para o controle hidráulico simples com rodas acionadas hidraulicamente.

Uma pistola de pulverização na extremidade da torre de pivô central mais externa pode estender a área irrigada além da estrutura física. Se funcionar continuamente, a área ainda será circular. Entretanto, controlando a pistola, é possível irrigar uma região aproximadamente quadrada usando um sistema de irrigação de pivô central.

(Fonte do vídeo: UNL Biological Systems Engineering)

Também empregando aspersores, os sistemas de irrigação de movimento linear são similares aos sistemas de pivô central. Entretanto, as seções da torre não são movidas em um arco ao redor de um pivô fixo. Em vez disso, elas andam para frente e para trás em linha reta. Isso significa que os sistemas de irrigação de movimento linear cobrem uma área retangular em vez de uma circular. Tal área de cobertura pode ser mais adequada aos sistemas de campo existentes e fornecer uma cobertura de terreno mais completa. Entretanto, isso também torna o controle das torres acionadas e o controle da água de abastecimento mais desafiador.

Figura 7: esse é um projeto de irrigação de movimento linear. Os sistemas automatizados que empregam esse equipamento mecânico enfrentam os difíceis desafios da irrigação externa. (Fonte da imagem: Getty Images)

Em alguns projetos, a água é fornecida por um canal aberto ao longo de uma borda da área irrigada ou (em arranjos alternativos) através de uma mangueira flexível. As ressalvas são que as torres de tais sistemas de irrigação de movimento linear devem exibir velocidades coordenadas para manter a tubulação razoavelmente reta — e as torres devem se movimentar juntas para que o sistema viaje continuamente para frente e para trás sobre o campo sem se desviar dos trilhos. Para atender a esses requisitos, algumas torres estão programadas para seguir cabos enterrados.

Controladores de irrigação agrícola

Os controladores de irrigação mais simples são apenas temporizadores que permitem o livre fluxo de água em tempos pré-definidos. Tais temporizadores também são encontrados em aspersores de consumo para gramados.

Um pouco mais sofisticados são os controladores de irrigação industrial. Esses têm tradicionalmente tomado a forma de sistemas de controle hidráulico... e são frequentemente emparelhados com irrigadores de pivô central.

Atualmente, muitos controles de irrigação industrial mais avançados utilizam CLPs padrão. Além de controlar o movimento de grandes irrigadores, como o baseado em equipamento de irrigação de movimento linear, essa eletrônica baseada em CLP pode ser configurada para aceitar entradas de sensores de umidade do solo, sensores de fluxo, estações meteorológicas e sensores de congelamento. Alguns desses sistemas estão agora facilmente ao alcance de operações agrícolas muito pequenas (tanto no setor de frutas quanto no da fazenda inteligente interna) utilizando controladores como o Arduino para automatizar a rega de plantas e estufas.

Figura 8: o NETBEAT NetMCU é um exemplo de um controlador de irrigação integrado de grau comercial — e de fato, esse produto robusto executa uma série de tarefas de fertilização, fertirrigação, modelagem de culturas e previsão para uma solução de fazenda digital completa. (Fonte de imagem: Netafim)

Os controladores de irrigação automatizados podem medir o fluxo para garantir a entrega de uma quantidade medida de água, ao invés de uma quantidade arbitrária entregue durante algum tempo pré-definido. Ao fornecer uma quantidade conhecida de água para uma determinada área de solo, é possível obter condições ideais de crescimento sem desperdiçar água. O controle de fluxo também permite a detecção de entupimentos e vazamentos, alertando os operadores para problemas antes que ocorram danos significativos à cultura ou perda de água. Usando protocolos IoT, os controladores modernos podem até mesmo enviar alertas para o telefone celular de um operador quando tais eventos ocorrem.

Figura 9: o controle automático e os componentes de E/S RevPi são construídos em torno da variação do módulo de computação do minicomputador de placa única Raspberry Pi SoM/CPU/GPU. As últimas variações RevPi acomodam sinais analógicos úteis a certas abordagens de controle de irrigação de culturas. (Fonte da imagem: KUNBUS)

Outra opção de vanguarda para alguns agricultores é a evapotranspiração ou controladores ET. Esses estimam as necessidades de água com base nos princípios de equilíbrio entre o solo e a água.

O equilíbrio hídrico é estudado pela hidrologia agrícola, mas em seu ponto mais fundamental, a entrada de água deve ser igual à saída de água mais a mudança no armazenamento. As vazões são constituídas pelo fluxo (escoamento) e evapotranspiração — o movimento da água para a atmosfera por evaporação e transpiração através da vegetação.

Os controladores ET exigem dados em tempo real sobre os influxos (taxa de fluxo de irrigação e pluviosidade), bem como parâmetros ambientais que afetam a evapotranspiração, tais como temperatura, umidade e irradiação solar. Os parâmetros-chave que necessitam de um controle rigoroso por um controlador ET (muitas vezes um controlador de automação adaptado) incluem coeficientes de cultivo e a capacidade de retenção de água do solo. O coeficiente de cultura agrícola determina a taxa de transpiração em função das condições climáticas e da disponibilidade de água. Os controladores ET podem reduzir o uso de água em até 63% — uma economia surpreendentemente dramática não igualada por muitas outras abordagens.

Conclusão

Soluções sofisticadas de irrigação abundam para os grandes agricultores industriais de hoje. De fato, as tecnologias de automação também tornaram os métodos avançados de irrigação suficientemente acessíveis para os pequenos agricultores, bem como para os produtores de alimentos especializados em hortaliças e culturas delicadas com margens de lucro mais apertadas.