Desenvolvimento de um sistema de controle de pH e condutividade elétrica para fertirrigação em hidroponia

Abstract

De acordo com estimativas realizadas pela ONU, a população mundial atingirá a marca de 9,7 bilhões de pessoas em 2030 (PUBLICATIONS, 2019). Para suportar este aumento populacional, é fundamental otimizar a produção de alimentos, garantindo maior eficiência produtiva e redução dos impactos gerados pela atividade agrícola no meio ambiente. No cenário da agricultura brasileira, novos desafios estão surgindo no que se trata à segurança alimentar e eficiência dos processos produtivos. Dados os desafios que envolvem a otimização dos processos produtivos, as soluções tecnológicas de automação se tornam fundamentais para a sobrevivência do agronegócio familiar (REBOUÇAS, 1999). Existem diversos sistemas de produção, entre os quais a hidroponia e a fertirrigação se destacam por sua alta eficiência no uso de recursos e alto retorno financeiro (PINTO; BASSOI; SOARES, 2007). Tendo em vista estes fatos, este trabalho propõe um sistema de controle que auxilia em uma etapa fundamental do processo de irrigação de hidroponia. O trabalho consiste em uma metodologia de projeto e prototipação de um sistema de controle de condutividade elétrica e pH para soluções nutritivas utilizadas em sistemas de fertirrigação hidropônicos. O sistema foi desenvolvido considerando-se a aplicação em um modelo em escala, com capacidade de atender a até 4 pés de alface. O modelo foi construído com componentes acessíveis no mercado brasileiro, visando-se obter um baixo custo e alta disponibilidade em território nacional. Após a construção do protótipo, levantamentos em malha aberta foram feitos a fim de obter-se a relação entre a injeção de fertilizantes e solução de elevação de pH com a variação do pH e Condutividade Elétrica na solução nutritiva. Um software foi desenvolvido a fim de permitir o ajuste dos parâmetros de teste e coleta de dados dos sensores. Após, foi adaptado para o ajuste de parâmetros em malha fechada. A partir dos testes de malha aberta realizados, controladores do tipo P foram projetados utilizando-se o método de Ziegler Nichols e foram feitas simulações do comportamento do sistema em malha fechada para validar o projeto realizado. Os controladores foram implementados no sistema e foram conduzidos testes em malha fechada para validar a performance do sistema. Foi verificado que o sistema desenvolvido atende os requisitos exigidos na aplicação e próximos passos foram mapeados a fim de melhorar o custo e desempenho do sistema.

According to estimates made by the UN, the world population will reach the mark of 9.7 billion people in 2030 (PUBLICATIONS, 2019). To support this population increase, it is essential to optimize food production, ensuring greater productive efficiency and reducing the impacts generated by agricultural activity on the environment. In the Brazilian agriculture scenario, new challenges are emerging with regard to food security and efficiency of production processes. Given the challenges that involve the optimization of production processes, automation solutions become fundamental for the survival of family agribusiness (REBOUÇAS, 1999). There are several production systems, among which hydroponics and fertirrigation are noted for their high efficiency in the use of resources and high financial return (PINTO; BASSOI; SOARES, 2007). In view of these facts, this work proposes a control system that assists in a fundamental stage of the hydroponics irrigation process. The work consists of a methodology for the design and prototyping of an electrical conductivity and pH control system for nutrient solutions used in hydroponic fertirrigation systems. The system was developed considering the application in a scale model with the capacity to irrigate 4 lettuce plants. The model was built with parts accessible in the Brazilian market, aiming to obtain a low production cost and high availability in Brazil. After the construction of the prototype, open-loop tests were done to understand the relationship between the injection of fertilizers and the pH-raising solution with the variation of pH and Electrical Conductivity in the nutrient solution. A software was developed to enable test parameters adjustments and sensor data collection. The software have been afterwards adapted for closed-loop parameters control. With data from the open-loop tests, P-type controllers were designed using the Ziegler Nichols method and simulations of the closedloop system were performed to validate the design. The controllers were implemented in the system and closed-loop tests were conducted to validate system performance. It was verified that the developed system meets the requirements demanded in the application and next steps were mapped in order to improve the cost and performance of the system.