Uso de sensores para a verificação do estresse hídrico da planta

Uso de sensores para a verificação do estresse hídrico da planta
Kleber Macedo2, Marcelo Gonçalves Narciso1, Alexandre Bryan Heinemann1
1
Embrapa Arroz e Feijão, Goiânia, Goiás, Brasil, [email protected],
[email protected]
2
Departamento de Engenharia da Computação, Universidade Federal de Goiás, Goiânia,
Goiás, Brasil, [email protected]
RESUMO
Estudos indicam que as mudanças climáticas globais deverão agravar o problema
relativo ao déficit hídrico em culturas de várias regiões do mundo devido à maior
irregularidade no regime de chuvas e maiores temperaturas que, combinados, poderão impor
às culturas um maior estresse hídrico. O desenvolvimento de cultivares mais tolerantes às
limitações hídricas é uma alternativa sustentável para diminuir os impactos negativos das
mudanças climáticas globais. O déficit hídrico é uma característica complexa que requer uma
abordagem que considere as interações solo-água-planta-ambiente, utilizando a competência
técnica disponível nestas diferentes áreas. Assim, é possível avaliar os cultivares no campo
quanto a sua adaptação ao déficit hídrico, e com isso escolher os melhores cultivares para a
resistência a chuva, veranico, etc., garantindo a sustentabilidade e a segurança alimentar da
agricultura nacional. Para medir o déficit hídrico da planta, é possível usar sensores para
avaliar algumas características, dentre estas a variação do crescimento da planta, a
temperatura foliar e o NDVI. Estes parâmetros poderão então determinar se a planta está com
características de déficit hídrico (ou estresse hídrico). Este trabalho apresenta o projeto de um
sistema capaz de realizar simultaneamente e de forma autônoma essas medidas em campo,
permitindo assim que, através dos valores colhidos, o produtor seja capaz de identificar um
possível déficit hídrico na planta.
PALAVRAS-CHAVE: estresse hídrico, sistema embarcado, sensores, automação.
ABSTRACT
Recent research indicates that global climate change will aggravate the problem of
drought stress in many regions of the world due to greater irregularity in rainfall and higher
temperatures that may impose a greater crop water stress. The development of more tolerant
cultivars to water limitations is a sustainable alternative to reduce negative impacts of global
climate change. Drought stress is a complex feature that requires an approach that considers
soil-water-plant-environment interactions, using the expertise available in these different
areas. Thus, it is possible to evaluate cultivars in the field as to adapt to the drought stress,
and thus choose the best cultivars for resistance to rain, summer, an so on, ensuring the
sustainability and food security of national agriculture. To measure the drought stress of plant
or cultivar, it is possible to use sensors to evaluate certain characteristics, among them the
variation of plant growth, leaf temperature and the NDVI. These parameters can then
determine if the plant has characteristics of drought stress. This paper presents the design of a
system capable of performing simultaneously and autonomously such measures in the field,
allowing through the collected values, the producer is able to identify a possible drought stress
on the plant.
KEYWORDS: drought stress, embedded systems, sensors, automation.
INTRODUÇÃO
Estresse é qualquer fator externo que exerce influência desvantajosa sobre a planta,
induzindo respostas em todos os níveis do organismo, podendo ser reversíveis ou permanentes
(LECHINOSKI, 2007). A partir deste conceito, pode-se afirmar que a planta está sujeita a
inúmeros fatores que podem levar ao estresse. Dentre estes, a quantidade de água pode ser
responsável por alterar todo o funcionamento bioquímico e morfológico das plantas, visto
que a quantidade de água é um fator importante em todas as fases de desenvolvimento.
Uma planta com estresse hídrico poderá vir a produzir menos e com menor qualidade,
crescer menos, e ter sua fisiologia comprometida. Assim, um monitoramento do estado
hídrico da planta é muito importante e vantajoso caso seja realizado periodicamente. Para tal
monitoramento, alguns parâmetros podem ser medidos, podendo ser citados a taxa de
crescimento da planta, temperatura foliar, e NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).
Para que estes parâmetros sejam obtidos são necessários sensores e estes devem ser
controlados para serem acionados periodicamente e suas leituras direcionadas para um
ambiente computacional o qual irá fazer o relatório das medidas geradas. Assim, faz-se
necessário um circuito eletrônico para controlar os sensores para avaliar a taxa de crescimento
da planta, a temperatura foliar e o NDVI e também o software embarcado para o controle
destes sensores e outro software para apresentar os resultados colhidos, bem como o
processamento dos dados colhidos pelos sensores para que o estado hídrico da planta em cada
momento seja conhecido.
O sistema formado pelo software e circuito eletrônico, além de permitir a leitura dos
sensores, envolve a gravação dos dados obtidos em um cartão tipo SD e a exibição das
informações necessárias para a operação do sistema via display LCD.
Este trabalho mostra um sistema que contém os sensores citados (temperatura foliar,
altura da planta e NDVI), o circuito eletrônico feito para acionar os sensores a qualquer
tempo, e também o software embarcado para a coleta de dados e apresentação de resultados.
Este sistema poderá ser usado no campo acoplado a uma moto, um trator ou ainda a um
VANT.
MATERIAL E MÉTODOS
Para a avaliação do estado hídrico da planta, serão usados como parâmetros a altura da
planta, a temperatura foliar e o NDVI. Estes índices serão medidos em uma planta referência
ou testemunha e na planta alvo. Os valores então serão colhidos para análise, após uma
varredura em uma plantação desejada, e então serão determinados em que locais da plantação
as plantas (ou quais plantas) estão possivelmente com deficiência hídrica.
O que se espera, para o caso da planta estar com estresse hídrico, é que o crescimento
diário (assim como a biomassa) será menor, conforme (SILVA ET AL, 2012) e (PINCELLI,
2010), o NDVI das imagens de cada planta com estresse hídrico tenha valores menores (entre
0 e 0.2, indicando estresse severo, ou um valor menor do que o de uma planta saudável nas
mesmas condições) e a temperatura foliar, quando do estresse hídrico, deverá ser maior do
que a temperatura foliar de uma planta em condições sem estresse, segundo (TRENTIN,
2010).
Os parâmetros a serem medidos, dada certa área, necessitam de um processo
automatizado. Neste sentido, a automação seria feita através de sensores e um circuito
eletrônico para ler e acionar estes sensores, além de guardar as medidas feitas no decorrer do
tempo. Para isto, seria necessário um levantamento de sensores existentes para medir cada
parâmetro, e posteriormente selecionar um sensor para cada parâmetro. Com estes sensores
selecionados, e mais o circuito eletrônico construído para ler e acionar estes sensores a cada
tempo determinado, é construído então um sistema eletrônico para capturar dados sobre altura
da planta, NDVI e temperatura foliar. Este sistema deverá ser conduzido em um veículo
terrestre, como uma moto ou um VANT (veículo aéreo não tripulado) para fazer a varredura
da área e então, com os dados colhidos, o produtor poderá saber a cada instante onde a planta
possivelmente tem um estresse hídrico.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Foi construído um circuito eletrônico para a aquisição de dados. Para medir a
temperatura foliar, é usado o sensor de temperatura por infravermelho, ou termômetro
infravermelho MLX90614, que pode ser comprado no mercado nacional e de custo baixo.
Para medir a altura de plantas, foi usado o sensor de distância por ultrassom, conhecido por
HC-SR04, muito conhecido no mercado. Para medir a temperatura do ar e umidade do ar, é
usado o sensor DHT-22, também muito conhecido no mercado, que pode ser visto em
(DHT22, 2015). Estes sensores, mais duas câmeras infragram (INFRAGRAM, 2015),
modificadas para obter imagens nas frequências do espectro do vermelho e do infravermelho
próximo, para o cálculo do NDVI, estão descritos a seguir.
Altura da planta
Para que sejam obtidos os dados necessários para avaliar se uma dada cultura está com
estresse hídrico ou não, usando-se os parâmetros de taxa de crescimento de planta,
temperatura foliar e NDVI, este último proposto por (ROUSE et al, 1973), são necessários
sensores, os quais estão descritos a seguir.
Para a medida de altura, tem-se o sensor de distância por ultrassom, o qual mede a
distância em mm da extremidade do sensor até a planta (ponto mais próximo). Este sensor
mede a distância ao alvejar um objeto enviando uma onda sonora, acima da faixa audível. A
onda é então refletida de volta ao sensor, medindo-se assim o tempo decorrido entre emissão e
recepção a onda refletida. Sabendo a velocidade de som, o sensor pode determinar a distância
do objeto do elemento transdutor.
São tomadas várias medidas por planta, para minimizar o erro, e então é feita uma
média destas medidas e esta média é o valor da altura da planta até o sensor. Para medir a
altura da planta (Hp), sabendo-se a distância entre o sensor e a planta (lugar mais alto da
planta) como Dsp, a altura do sensor em relação ao solo Hs e o ângulo do sensor em relação à
vertical α, a altura é calculada conforme a equação 1 a seguir:
Hp = Hs – Dsp*cos(α)
(1)
A Figura 1 ilustra o sensor utilizado, o qual pode ser visto com mais detalhes em vários sites
da web, como (ULTRASSOM, 2015).
Figura 1 – Sensor de distância para uso no cálculo da altura da planta
Com as medidas diárias da altura da planta, pode ser então calculada a variação diária
do crescimento da planta e assim poder verificar se a taxa de crescimento é a esperada ou não
para a cultura em questão e assim poder inferir se a planta tem um possível estresse hídrico.
Outros sensores poderiam ser utilizados para este fim como, por exemplo,
sensores
de distância por infravermelho, porém, conforme os testes feitos em casa de vegetação, estes
necessitam de ajustes para evitar problemas com perda de sinal emitido, com a reflexão
parcial do sinal ou então a absorção do sinal.
O custo dos sensores de ultrassom ou
infravermelho é relativamente baixo.
Para usar o sensor de ultrassom ou infravermelho, estratégias mecânicas precisariam
ser utilizadas, como por exemplo, o direcionamento do feixe sonoro emitido através de um
tubo. Enfim, são necessários ajustes para usar este tipo de sensor.
Temperatura foliar
Outra variável usada para verificar o estado hídrico da planta foi a temperatura foliar
(TF). Para se obter a TF, é usado o sensor MLX90614, o qual tem custo relativamente baixo
e razoável precisão, que pode ser visto em (TF, 2015). O sensor MLX90614 pode realizar
medições a uma distância de até 4 m do alvo.
O sensor para a medida da temperatura foliar é apontado para a copa da planta e assim
são feitas várias medições e tomada uma média destas. Desta forma, tem-se a temperatura
média do dossel da planta. A distância entre o sensor e o dossel da planta pode variar de 0 a 2
metros e o ângulo de visada é 6,28 graus. Mais informações podem ser vistas em (TF, 2015).
A Figura 2 ilustra o sensor de temperatura foliar MLX90614.
Figura 2 – Sensor para medir a temperatura foliar.
Cálculo do NDVI
Existem algumas observações importantes a respeito do NDVI que devem ser
ressaltadas. Segundo (INSA, 2014), o NDVI se traduz por um indicador numérico, que varia,
teoricamente, de 0 (referente à vegetação sem folha, submetida a condição de estresse hídrico
por déficit de água no solo) a 1,0 (relativo à vegetação com folhas, sem restrições hídricas e
na plenitude de suas funções metabólicas e fisiológicas). Nesta consideração, admite-se que o
valor do comprimento de onda de infravermelho sempre exista.
O NDVI é calculado utilizando as porções da energia eletromagnética refletida pela
vegetação nas bandas do vermelho (comprimento de onda variando de 620 a 750 nm) e do
Infravermelho próximo (comprimento de onda variando de 750 a 2500 nm). A fórmula de
cálculo para o NDVI é dado pela equação 2 abaixo:
NDVI = (IVP – VER)/( IVP + VER)
(2)
As siglas desta fórmula significam:
NDVI = Índice de Vegetação da Diferença Normalizada
IVP = refletância da faixa do infravermelho próximo
VER = refletância na faixa do vermelho
O princípio físico do NDVI se baseia na assinatura espectral das plantas. As plantas
verdes e com vida absorvem fortemente radiação solar na região do vermelho (620 a 750 nm)
para utilizar esta radiação como fonte de energia no processo de fotossíntese. Por outro lado,
as células das plantas refletem fortemente na região do infravermelho próximo (variando de
750 a 2500 nm). As porções absorvidas no vermelho e refletidas no infravermelho variam de
acordo com as condições das plantas. Quanto mais verdes, nutridas, sadias e bem supridas do
ponto de vista hídrico for a planta maior será a absorção do vermelho (menor reflectância) e
maior será a reflectância do infravermelho. Assim a diferença entre os valores das
reflectâncias das bandas do vermelho e do infravermelho será tanto maior quanto mais verde
for a planta ou vegetação.
O referido índice pode ser utilizado em uma vasta gama de estudos como modelagem
climática e hidrológica, balanço de carbono, detecção de mudanças climáticas, estimativas de
parâmetros da vegetação (cobertura vegetal, índice de área foliar), atividades agrícolas
(monitoramento do ciclo de crescimento de culturas, modelagem do crescimento e
produtividade de plantações),
monitoramento de secas,
detecção de desmatamentos,
avaliação de áreas queimadas, entre outras aplicações. Mais informações podem ser vistas em
(INSA, 2014).
Para o cálculo de NDVI foram usadas duas câmeras, conhecidas por Mercury USB 2.0
Webcam (Infragram), cada uma capaz de obter fotos com uma resolução de 1600x1200
pixels. Esta câmera foi modificada especialmente para analisar a saúde de plantas e medir a
taxa de fotossíntese, em combinação com uma plataforma de processamento de imagens
chamada Infragram. Uma das câmeras recebeu um filtro de 670 nm e a outra de 780 nm, e os
resultados foram muito bons após alguns ajustes. Mais informações sobre a câmera Mercury
podem ser vistas em (INFRAGRAM, 2015) e (INFRAGRAM2, 2015).
uma câmera infragram.
A Figura 3 ilustra
Figura 3 – imagem de uma câmera infragram
Sistema Completo
Para acionar estes sensores, foi projetado um circuito eletrônico e este foi integrado à
placa Cubieboard 1, o qual é uma placa caracterizada como um minicomputador, realizando
em um só dispositivo as principais funções de um computador convencional. Esta placa
suporta vários sistemas
Linux (Fedora, Ubuntu, Debian, etc.).
A placa vem com um
processador ARM de 1GHz, além de um chip gráfico Mali400, 4GB de memória interna flash
que dispensa o uso do cartão microSD externo, 1GB de memória RAM DDR3 e até saída de
vídeo em HDMI com resolução 1080p.
A
Figura
4
ilustra
a
placa
cubieboard
1,
que
pode
ser
vista
em
(http://www.cubieboard.com.br/). Nesta placa é conectado um circuito eletrônico, o qual é
ligado nos pinos GPIO, que significa General Purpose Input Output. No circuito eletrônico
são ligados os sensores descritos e este é ligado na cubieboard 1
Figura 4 – Placa Cubie board 1
Por outro lado, esta placa oferece porta ethernet, duas entradas USB, entrada SATA e
porta para entrada de cartões microSD. A placa cubieboard 1 terá de contar com uma fonte de
energia específica para funcionar. Pode ser alimentado via USB ou fonte externa via conector
USB. Mais informações podem ser vistas em (CUBIE, 2015). O sistema como um todo está
descrito na Figura 4 a seguir
Figura 4 – Sistema para leitura de sensores para estimar o estado hídrico da planta
Na Figura 4 acima é mencionado o display LCD, o qual serve para leitura dos
resultados, os quais são gravados em cartão SD para posterior processamento.
Algoritmo do firmware (software que roda na placa cubieboard 1)
A Figura 5 a seguir apresenta o fluxograma com o funcionamento do software
desenvolvido.
Figura 5 – Fluxograma do software desenvolvido
Um detalhe sobre o algoritmo acima é que o arquivo para guardar os dados tem um
limite máximo de 1 GB. Quando este limite estiver para ser atingido, o programa encerra o
loop e fecha o arquivo.
Este sistema foi testado em plantas com estresse e sem estresse, para o caso do arroz, e
alguns dos resultados colhidos estão descritos na tabela 1, para um dia apenas.
Planta sem
Planta com estresse 1 Planta com estresse
estresse
2
Altura (m)
0,83
0,75
0,74
NDVI
0,40
0,30
0,29
Temp foliar
30
32
35
(⁰C)
Tabela 1 – valores médios medidos para Altura, NDVI e Temperatura Foliar
Na tabela acima, os valores colhidos para a temperatura foliar foram das 11h00 até às
13h00. Foram obtidos valores de cada variável a cada 5 minutos e feita uma média. Para os
valores de NDVI, os foram tomados entre 08h00 e 9h00 e foi feita uma média para cada
planta. A altura foi tomada ao longo do dia e também foi feita uma média. A espécie
escolhida para os testes foi o arroz douradão.
O objetivo destes dados apresentados na Tabela 1 foi para mostrar o funcionamento do
sistema, cujos dados obtidos refletiram o esperado quanto aos valores. Assim, o sistema pode
ser usado no campo, levado por um veículo terrestre ou aéreo, para fazer medições diversas e
então mostrar a situação da área quanto a estresse hídrico.
CONCLUSÕES
Este sistema foi construído para verificar se alguma planta em uma dada plantação está
com estresse hídrico. Porém, um sistema análogo a este poderá ser usado para verificar outras
características, como estresse por alguma praga ou doença, com adição de outros tipos de
índices e também modelos matemáticos. Para isto, basta saber que parâmetros medir, fazer a
pesquisa com os sensores disponíveis e fazer um circuito que possa ler estes sensores e
guardar os resultados. Este conjunto é então inserido em uma moto ou um trator ou algum
veículo que possa trafegar em uma plantação. Se existir mais recursos, um VANT poderia
usar este sistema para fazer uma varredura e então fazer a tomada de dados da área. Desta
forma, é possível fazer um monitoramento automatizado da área desejada, de forma mais
rápida do que o ser humano faria.
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