Uso de IoT na Agricultura Inteligente

A preguiça é a mãe do progresso. A história da automação e da Internet das Coisas prova que esta afirmativa de Mario Quintana é verdadeira. Ninguém quer fazer coisas mundanas como comprar leite no supermercado, levantar-se para desligar ou ligar uma lâmpada. Estamos sempre procurando por inovações que criam atalhos para resolver problemas tediosos como esses.

Os primeiros experimentos em IoT ilustram bem esta tendência. John Romkey ligou uma torradeira à internet usando um protocolo TCP/IP e criou um controle para ligá-la e desligá-la, ele só não conseguiu resolver o problema de colocar o pão dentro da torradeira.

No entanto, não podemos enxergar a IOT como uma ferramenta empregada puramente para resolver questões de conveniência, como ligar o ar condicionado 30 minutos antes de chegarmos em casa. Ela é o tipo de tecnologia que também tem o potencial de resolução de problemas reais. Por exemplo, entender os padrões ambientais e aprimorar o manejo dos recursos são atividades fundamentais para uma agricultura sustentável, ambiental e economicamente. Justamente neste campo a IoT vem se destacando e apresenta um grande potencial de desenvolvimento de soluções criativas e necessárias.

Previsões de crescimento da população humana é de que por volta de 2050 atingiremos a marca de 9,6 bilhões de pessoas. Para acompanhar este ritmo de crescimento a produção de alimentos terá que crescer em 70% segundo a Beecham Research. Para alcançar este extraordinário fato, a agricultura deve-se valer de tecnologias emergentes, como a Internet das Coisas, a fim de aumentar sua a produtividade, diminuir os custos, reduzir desperdícios. Esta é a chamada Agricultura Inteligente (Smart Agriculture).

MAS O QUE É INTERNET DAS COISAS?

O termo foi cunhado por Kevin Ashton, pesquisador do MIT (Massachusetts Institute of Technology). Trata-se de um sistema/rede que conecta os dispositivos físicos através da internet. Mais, estes dispositivos além de conectados, tornaram-se “inteligentes” com a ajuda de sensores, actuators e softwares, podendo comunicar-se e coordenar uns aos outros.

Esta definição é simples e pode ser entendido por especialistas e leigos, mas as tecnologias por trás da Internet das Coisas são complexas devido a fatores como:

A interoperabilidade entres os aparelhos
Os múltiplos sensores e protocolos
A escalabilidade
A enorme quantidade de dados coletados

Como se vê, ligar uma torradeira na internet não define bem a IOT. Ela é mais complexa que simples dispositivos conectados à internet e apresenta muitos desafios de aprimoramento, no entanto, seu uso já é uma realidade e tende a crescer a medida que avançamos no desenvolvimento da tecnologia da informação.

ARQUITETURA DE SOLUÇÕES IOT PARA AGRICULTURA

Os Sistemas de Agricultura Inteligente têm como objetivo controlar o estado da produção agrícola e estabelecer seus principais fatores de crescimento, como humidade, fertilizante e matéria orgânica. Sua arquitetura possui quatro camadas:

1) Camada de Sensoriamento

Composta por uma grande variedade de sensores de coleta de dados que dão suporte à lavoura, à semeadura, à irrigação, ao uso de fertilizantes e pesticidas, à colheita e à pecuária. Eles podem ser classificados como:

Biossensores: acústico, calorimétrico, eletroquímico, imunológico, potenciométrico. Sensores de câmeras são usados na identificação de doenças em plantas. Uso de tomografia computadorizada, por exemplo, é usado para análise e detecção de estresse em plantas e infecção de plantas por pestes.
Sensores ambientais: químico, cores, elétricos, humidade, campo magnético, clima, gases, luminosidade, radiação. Imagens de satélite são usadas para monitorar taxas de nitrogênio no solo e identificar áreas em que é necessário o uso de fertilizantes. Sensores de radiação são usados para medir o nível de luminosidade fotossintética e correlacionar como processo de fotossíntese nas plantas.
Sensores de medição de massa: corrosão, densidade, fluxo, oxigênio, pressão, condutividade elétrica, viscosidade, volume;
Sensores de movimento: rotação, velocidade, vibração. Sensores infravermelho são capazes de detectar animais e pestes nas lavouras.
Sensores de posição: inclinação, orientação, proximidade, presença.

2) Camada de Comunicação

Esta é uma das camadas críticas do sistema e necessita ser confiável, precisa e segura. Diferentes tecnologias wireless são usadas nos sistemas de agricultura inteligente, tais como:

Identificadores por rádio frequência (RFID): usado principalmente para registrar informação como por exemplo dados sobre o solo, tipo de cultura e localização.
Bluetooth: usado principalmente na integração de sistemas como veículos aéreos usados em serviços como fertilização e pulverização de pesticidas.
ZigBee: é um protocolo de rede baseado no padrão IEEE 802.15.14. É utilizado em sistemas de monitoramento da agricultura para a transferência de dados entre estações base.
Wi-Fi: é usado para a comunicação entre os nós do sistema e a estação base.
LoRa: é usado em sistemas com uma baixa taxa de transferência de dados. Ele possui baixo consumo de energia e grande abrangência territorial e provê uma interface entre os sensores e a nuvem através de uma rede LPWAN (low power wide area network). Já utilizada em sistemas de inteligentes irrigação por exemplo.
SigFox: usado em dispositivos de IoT com baixo consumo de energia e baixa taxa de transferência de dados. Já foi usado em soluções para monitoramento da atividade de gados.
WiMax (Worldwide interoperability for microwave access): esta tecnologia oferece uma taxa de transferência de dados alta (74 Mbit/s) quando comparada com outras tecnologias desta lista. Utilizada para transferir dados locais para a nuvem.
NB-IoT (Narrowband-IoT): baseado em redes de celulares com transmissão de frequência de rádio a longas distâncias
Redes de celulares: aqui inclui-se padrões do 2G ao 5G, GSM, GPRS, UMTS, LTE entre outros. Possui uma alta taxa de transferência e largo alcance territorial. É usado na coleta de informações sobre variação temporal no campo, monitoramento do crescimento das culturas, monitoramento do solo e condições de temperatura.

3) Camada de Computação Fog/Edge

A computação de borda ou em névoa possui nós mais próximos aos sensores responsáveis por coletar os dados. Os dados são processados nesta camada sem a necessidade de um repositório central em uma nuvem ou data center. Pode haver a transferência posterior dos dados para o repositório central em uma nuvem.

A segurança e privacidade são os grandes desafios nesta camada. O uso de Blockchain por sua vez auxilia na mitigação destes problemas ao provê rastreabilidade, preservação de privacidade e integridade de arquivos compartilhados.

4) Camada de Nuvem/Internet

Nesta camada está o compartilhamento de recursos e serviços nas formas de:

Infrastructure as a Service (IaaS)
Platform as a Service (PaaS)
Software as a Service (SaaS).

Esta camada também permite o uso de Big Data Analytics para um entendimento profundo dos dados coletados pelos vários sensores e criação de um sistema de recomendação de mecanismos de proteção da plantação a partir da consolidação e comparação de dados climáticos, de irrigação e de plantação e o processamento de dados de imagem permitem uma melhor previsão das chuvas.

VANTAGENS DA IOT NA AGRICULTURA

Embora o uso de IoT torne o sistema de cultivo mais complexo, do ponto de vista técnico, comparado ao sistema tradicional de agricultura, as vantagens compensam. Algumas delas são:

Agilidade de resposta em mudanças nas condições climáticas, qualidade do ar ou condições do solo através de monitoramento em tempo real
A precisão no monitoramento dos parâmetros agrícolas permite a economia de água energia e a redução de pesticidas e fertilizantes
Minimização de erros humanos durante a semeadura, irrigação e colheita
Antecipação e previsão de tendências a partir da análise de dados coletados
Criação de redes e comunidades de fazendeiros com troca de informações e conhecimento
Amplificação de controle e monitoramento com o uso de drones
Implantação de compliance na cadeia logística e analítica alimentar
Economia de tempo e dinheiro ao avaliar e monitorar as lavouras com veículos remotos

OPORTUNIDADE PARA DESENVOLVEDORES

No estado que está a IoT, sua aplicação na agricultura tem impacto positivo sobre a produtividade, resolução de problemas e redução de custos. Entretanto grandes desafios ainda se impõem para a melhoria dos sistemas. Existem desafios no campo da engenharia como tornar sensores mais resistentes a intemperes, além de desafios de mercado, mas também os desafios para desenvolvedores das mais diversas áreas da Tecnologia da Informação.

A padronização da IoT tem papel importante na expansão do uso desta tecnologia porque permite a interoperabilidade técnica, semântica e organizacional entre aparelhos de diferentes fabricantes. Desenvolver protocolos e especificação de tipos de dados (XML, JSON, EDI, etc.), por exemplo, são atividades necessárias para a eficácia e eficiência do sistema.

Outra diversificação desafiadora é a variabilidade entre fazendas e culturas. Isto demanda técnicas para dimensionar adequadamente os recursos que serão utilizados no sistema como qual o número de gateways, quantos aparelhos IoT, quantidade de dados e tamanho do storage requerido. Diferentemente de protocolos e formatos de dados, não é possível padronizar as fazendas e plantações. Para otimização de recursos, desenvolver algoritmos e modelos estatísticos capazes de determinar a distribuição de recursos dados os parâmetros das plantações e características do ambiente é um campo promissor para desenvolvedores.

Quando falamos sobre IoT sempre devemos ter em mente a enorme quantidade de aparelhos a serem conectados na rede, ainda que esta quantidade seja otimizada pelos algoritmos desenvolvidos que mencionamos anteriormente sempre será grande. Gateways e protocolos usados hoje, por exemplo, podem acomodar um grande número de dispositivos: o SigFox suporta 10^6 nós. A tendência é de crescimento.

DESAFIOS PRESENTES PARA UM FUTURO MELHOR

A capacidade de resolução de problemas da IoT vai além das fronteiras da automação industrial ou da conveniência de uma casa inteligente. Ela tem o potencial de ampliar a nossa capacidade de criar soluções para problemas importantes como a ampliação da oferta de alimentos num mundo onde a a demanda por alimentos é crescente. As pedras fundamentais e seu arcabouço já foram implementados. Mas ainda existe o desafio de construção de um sistema sólido.

Fontes:

Introduction to Industrial Internet of Things and Industry 4.0
https://blog.xpeducacao.com.br/fog-computing/
Recent advancements and challenges of Internet of Things in smart agriculture: A survey https://doi.org/10.1016/j.future.2021.08.006
Singh, Rajesh (Editor). Internet of things for agriculture 4.0 : impact and challenges